CN103491593B - 水环境无线能量控制路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明为水环境无线传感网络提供了一种能量控制路由算法。本算法是从能量角度考虑，结合水环境无线监测数据特点，将基于LEACH的能量控制路由协议引入水环境无线监测网中。步骤为：第一个簇首的选取；簇成员节点的接入;簇的建立;基站与簇首的通信建立。优点：本算法采用逐次选择的方式选择簇首，取消频繁分簇机制，进而提高了系统的生存周期，降低了网络的整体功耗。该算法主要用于无线传感网络路由控制领域。

Description

水环境无线能量控制路由算法

技术领域

本发明涉及的是用于水环境无线传感网络中的一种能量控制路由算法。属于无线传感网络路由控制算法技术领域。

背景技术

近年来，一些学者将传感器技术、通信技术应用与水环境监测结合，形成水环境无线监测网络。该网络利用廉价的无线传感器节点监测数据并组建网络，形成对水环境的区域监测，获得水环境区域状况。水环境无线监测网络中，设计到多方面关键技术，如路由协议、MAC协议、定位技术、拓扑结构、安全技术等。水环境无线监测网络中的路由协议直接关系到网络的稳健性，因为无线监测节点能量有限。这就使得设计适合于水环境监测数据特点的路由协议显得尤为重要。无线传感器路由协议研究相对较多，但将其应用于水环境领域相对较少。水环境无线监测网中，路由协议主要集中在水下声波通信路由协议研究，对于水面区域监测网络的路由协议研究较少。

发明内容

本发明主要针对上述缺陷，从能量角度考虑，结合水环境无线监测数据特点(定时、数据量稀疏等)，将基于LEACH的能量控制路由协议引入水环境无线监测网中，提出一种基于LEACH的水环境无线能量控制路由算法。该算法在簇首选择上采用基于基站的自主选择，即以基站为中心，在整个监测网络内的对节点进行逐个簇首选择。水环境监测通常采用每隔6个小时进行一次水质数据采集，全天大部分时间，水环境无线监测网处于睡眠状态，基于这个特点，的具体算法如卜：

1.第一个簇首的选取：在簇首建立阶段，基站首先以最人功率广播簇建立信息，网络内各节点以最大发送功率发送簇首请求信息。基站接收到节点反馈信息后便对整个网络有了整体的了解，这时，基站开始根据接收到的信号强度和能量信息进行第一个簇首的选取，如公式(1)所示。

$\mathrm{pi}\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{k_r-1}{N-{\mathrm{\Σ}}_{r=1}^{r-1}{k}_r-1}*\frac{E_{\mathrm{Current}}\left(i\right)}{E_{\mathrm{Origin}}\left(i\right)}*\frac{\mathrm{Re}\left(i\right)}{100}& C_i\left(t\right)=1\\ & C_1\left(t\right)=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，N为基站监测网络中的节点数;r为基站周期(从一次激活模式到下一次进入激活模式)数；kr-1为第(r-1)周期内网络中簇首节点的个数(k0=N)；E_origin(i)为节点i的初始能量值;Re(i)为基站接收节点i信息的信号强度。选择当前P_i(t)值最人的节点作为簇首。

2.取消LEACH协议频繁分簇机制：基于水环境监测不频繁的特点，本文算法取消了LEACH协议频繁分簇机制，网络只是在基站处于激活模式下才进行分簇及数据采集，这样可降低频繁分簇带来的节点能量额外开销，提高网络能量的使用效率，具体时间流程示意图如图1所示。

3.簇成员节点接入：根据公式(7)选出第一个簇首节点之后，第一个簇首节点以设定功率广播其簇首信息。根据无线电信号发送距离(d)的远近与其发送功率的关系：当d<d0时，能量的消耗与d2成正比即自由空间模型(Freespaee)；反之d≥d0时，与d4成正比即多径衰减模型(Multi-pathFading)，这里d0为两者之间的分界点。为了提高本算法在节点发送数据的有效性，簇首广播的簇首信息是在自由空间模型下进行的设定功率发送。节点在接收到簇首信息后，以同样的功率向簇首节点请求加入簇信息。簇首根据接收到信号强度，以及簇内允许的最人节点数和接收节点信息的信号强度允许的最小值，进行簇成员的选择并向其发送簇成员确认信息，具体机构如图2所示。簇首选择节点接入簇，须满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{num}}\&le;H_{\max }\\ H_{\mathrm{RE}}\&le;H_{\mathrm{RE}\min }\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，H_max为簇的最大成员数：H_REmin为簇首允许接收成员节点信息的信号强度最低值。

4.簇的建立：簇首在确定其成员建立一个簇之后，便向基站发送其簇信息。通过去除第一个簇和其簇成员节点信息，再对剩下的普通节点进行同样的算法处理进行第二个簇的建立，以此类推直至网络中所有节点均加入某个簇为止。算法的簇建立流程如图3所示。

5.基站与簇首信号连接的建立：先由基站发出连接信息，基站以设定功率发送请求连接信息。接收到基站的请求信息的其它簇首发送应答信号(包含簇首的能量信息)。基站(或簇首)根据接收信号的强度、簇首的当前的能量信息和基站(或簇首)最人允许连接数等因素综合判断并选择簇首作为基站(或簇首)的下一跳路由连接点，以此类推直至所有簇首均加入为止。基站与簇首建立信号连接流程图如图4所示。

附图说明

图1该算法时间流程示意图

图2该算法的网络分层结构图

图3该算法簇建立流程图

图4该算法基站与簇首的信号连接流程图

图5网络生存周期比较

图6网络整体功耗比较

具体实施方式

采用NS-2网络仿真工具(版本2.28)，对本算法进行实施，具体流程如下：

(1)设置100个的无线传感器节点使其随机分布在点100m×100m的水平面区域，基站位置坐标设置为(50，100)。通过提取NS-2生成的TCL文件后查看100个节点的一个随机分布结果。

(2)对仿真参数进行设置，如簇头选取时间、通信信道带宽、接收和发射电路的能耗和放大电路放大指数等，具体参数和设置值如表1所示。

(3)网络簇首选择次数：采用1.6Mb／s的802.11MAc层协议，节点通信范围设置为100个单位，网络数据分组大小为127字节。仿真实验运行30次，统计结果如表2所示。

表2簇首个数统计

(4)网络生存周期比较：网络生存周期主要通过网络中的节点存活数目来体现。节点存活数目越大，监测区域就越广，系统监测数据就越可靠。用LEACH协议与本发明算法在网络生存周期方面进行仿真比较。结果如图5所示。

(5)网络整体功耗比较：在水环境无线监测网络中传感器节点通常采用电池供电，电源能量非常有限。用LEACH协议与本发明算法在网络中节点消耗总能量方面进行仿真比较。结果如图6所示。

Claims (1)

1.水环境无线能量控制路由算法，其特征在于：采用逐次选择的方式选择簇首，取消频繁分簇机制，进而提高了系统的生存周期，该算法包括以下步骤：

(1)在簇首建立阶段，基站首先以最大功率广播簇建立信息，网络内各节点以最大发送功率发送簇首请求信息，基站接收到节点反馈信息后便对整个网络有了整体的了解，这时，基站开始根据接收到的信号强度和能量信息进行第一个簇首的选取；

(2)本算法取消了LEACH协议频繁分簇机制，网络只是在基站处于激活模式下才进行分簇及数据采集，这样可降低频繁分簇带来的节点能量额外开销，提高网络能量的使用效率；

(3)选出第一个簇首节点之后，第一个簇首节点以设定功率广播其簇首信息，簇首广播的簇首信息是在自由空间模型下进行的设定功率发送，节点在接收到簇首信息后，以同样的功率向簇首节点请求加入簇信息，簇首根据接收到信号强度，以及簇内允许的最大节点数和接收节点信息的信号强度允许的最小值，进行簇成员的选择并向其发送簇成员确认信息；

(4)簇首在确定其成员建立一个簇之后，便向基站发送其簇信息，通过去除第一个簇和其簇成员节点信息，再对剩下的普通节点进行同样的算法处理进行第二个簇的建立，以此类推直至网络中所有节点均加入某个簇为止；

(5)基站在整个网络节点完成簇分配后，开始建立所有簇首节点的联系，先由基站发出连接信息，基站以设定功率发送请求连接信息，接收到基站的请求信息的其它簇首发送应答信号，包含簇首的能量信息；基站、簇首根据接收信号的强度、簇首的当前的能量信息和基站、簇首最大允许连接数综合判断并选择簇首作为基站、簇首的下一跳路由连接点，以此类推直至所有簇首均加入为止。