CN103619049B - 无线传感器网络节能路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明为无线传感网络提供了一种节能路由方法(MEERP)，属于无线传感器网络应用技术领域。本方法引入了一个移动sink节点和一个移动中继节点，综合考虑网络的大小和节点个数，将网络划分成若干个正方形区域；然后根据节点的剩余能量和离簇重心坐标距离的加权和选举簇头。网格中的节点通过多跳的方式与簇头节点通信，移动sink节点采用可控移动策略，当它移动到簇头节点附近时，簇头节点则把收集到的数据直接传送给它；而移动中继节点在网络中采用有规律的移动方式，当移动到某个传感器节点的相同位置时，它将承担此传感器节点的所有分组转发任务，而该传感器节点只发送自己感知的数据。本方法主要用于无线传感网络路由控制领域。

Description

无线传感器网络节能路由方法

技术领域

本发明涉及的是用于无线传感网络中的一种节能控制路由方法。属于无线传感网络路由控制算法技术领域。

背景技术

无线传感器网络目前已经成为无线通信网络的研究热点之一。而网络中数据的传输离不开路由协议，传统的IP网络和无线Ad hoc网络路由协议并不适用于无线传感器网络。同时，由于无线传感器网络中传感器节点自身的计算处理性能、存储性能以及通信能力等十分有限；节点所携带的电池能量有限，且其往往处于非常恶劣的环境下，使其难以得到二次更换；节点能量一旦耗尽，将会失去使用价值。所以研究与设计一个能够平衡整个网络的能耗、有效使用节点的能量、延长整个网络生命周期的节能路由协议，对无线传感器网络来说是非常必要的。

目前无线传感器网络的路由协议主要分为节点静止和节点移动的路由协议。在节点静止的无线传感器网络中，传感器节点通信能力有限，数据传输通常采用多跳的方式进行，所以距离sink节点越近的节点能量消耗越快，更容易出现热点效应。而节点移动的无线传感器网络路由协议可以有效的减小路由路径的长度、减少了数据传输时延，改变网络中的流量分布，平衡了网络中带宽资源和能量资源，并减轻了传感器节点的转发负担，降低其能量消耗，延长了网络的生存时间。

发明内容

针对现有移动路由算法能量消耗大、不均衡，网络成本较高等缺点，发明了无线传感器网络节能路由方法(MEERP，Mobile Energy-Efficient Routing Protocol)。

本发明的设计方案主要思想如下：

1.网格的划分

网格的划分过程是指利用传感器节点的地理位置信息，把WSN的监测区域划分成固定的大小相等的正方形区域并为其编号，每一个区域即为一个簇，在网络的整个工作过程中，簇的位置、大小以及簇内节点保持不变。这个过程主要是根据网络监测区域的大小、节点的数目、节点当选簇头的概率等因素来确定网络的最优网格个数。

网络被划分为相应个数的单元格，并为单元格进行编号，每个单元格即为一个簇，i和j为簇的编号。节点根据自己的地理位置信息判断自己属于哪个簇。设节点的坐标为(x，y)，单元格的边长为r，若r*(i-1)≤x≤r*i，r*(j-1)≤y≤r*j，则该节点属于簇(i，j)。

2.簇头的选举

网络被划分为区域之后，同一区域内的节点要根据节点的剩余能量与节点到重心坐标距离的加权和选举簇头。在MSEERP协议中，传感器节点可处于三种状态：侦听状态、活动状态和睡眠状态。

在分簇完成后，所有的传感器节点都处于侦听状态；每个簇内节点开始竞选簇头，如果竞选成功，节点进入活动状态，并且广播成为簇头的消息，簇内其它节点接收到簇头的消息后发出一个响应消息；如果节点竞选失败，则进入睡眠状态。

首先要根据每个区域中各个节点的坐标计算出该区域的重心坐标，具体计算方法见公式(1)。

$x_g=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i,y_g=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{y}_i---\left(1\right)$

节点的加权和f_j计算方法见公式(2)。

f_j＝αE_j+(1-α)/d α∈(0，1) (2)

其中，α为加权系数，E_j为节点的剩余能量，d为节点到重心坐标的距离。

设该节点的坐标为(x_j，y_j)，则该节点到重心坐标的距离d的计算方法见公式(3)。

$d=\sqrt{{(x_g-x_j)}^2+{(y_g-y_j)}^2}---\left(3\right)$

比较簇内各个节点的加权和大小，选f_j值最大的节点为簇头节点。

3.sink节点的移动过程

本发明中，sink节点采用静止和移动相结合的移动方式，并且只在静止的时候接收和发送数据。采用能量可控移动策略，并在有限跳数范围内广播消息。

移动sink节点在两跳范围内广播hello消息包，hello数据包格式如图1所示。接收到hello包的簇头节点计算簇内的平均剩余能量Ea，并把所在区域号以及自身位置一起放入hello包中，再返回给移动sink节点，sink节点通过比较各个簇内的平均剩余能量，选择平均剩余能量最大的簇。再次广播message消息包，消息包message包含所选簇头所在的区域号，其数据包格式如图2所示。接收到message包的簇头节点，把message包里所带的区域号和自己的区域号做比较，若一样则准备发送数据，若不一样，则丢弃该message包。当移动sink节点移动到该簇头节点附近时，该簇头节点把数据传送给移动sink节点。移动sink节点停留一段时间后，再次广播hello包。

簇内平均剩余能量Ea的计算方法见公式(4)。

$Ea={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N-1}{E}_i/N---\left(4\right)$

其中，N为簇内节点个数。

在图1和2中，Sink location为sink节点目前的位置；Cluster ID为簇头所在区域号；Ea为簇内平均剩余能量；CHL为簇头节点的位置。

3.移动中继节点的移动过程

本文所引入的移动中继节点可以感知自己的位置，并通过广播信息，让其他节点获得其位置，并可以在网络中自由的移动。并且移动中继节点与普通节点具有相同的无线传输能力，但是移动中继节点没有能量限制。

在网络中，移动中继节点的移动路线是一系列的同心圆。这些同心圆以网络中心为圆心，半径递增，直到到达网络的边界，并且移动中继节点在所经过的每个传感器节点都停留一段时间，以替代其执行数据分组的转发。当移动中继节点移动到某个传感器节点的“相同”位置时，该移动中继节点将承担此传感器节点的所有分组转发任务，而该传感器节点只需要发送自己产生的感知数据。

附图说明

图1 hello数据包格式

图2 message数据包格式

图3 MEERP方法流程图

图4 网络整体能耗的比较

图5 网络节点存活数的比较

图6 sink节点接收数据包数的比较

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步描述。

本发明采用NS2仿真平台对MEERP方法进行实施，具体流程如下：

1)首先在监测区域内建立直角坐标系，根据无线电模型计算得到最优分簇数目，网络被划分为相应个数的单元格，并为单元格进行编号，每个单元格即为一个簇，节点根据自己的地理位置信息判断自己属于哪个簇。

2)在每个簇中，根据节点的剩余能量与节点到重心坐标距离的加权和选举簇头。当前剩余能量越多，离重心坐标位置越近的节点成为簇头节点的概率就越大，这样保证了整个簇的数据传输是最节省能量的，并且避免了剩余能量低的节点被选为簇头，使得每个节点的能耗更加均衡，从而保证了整个网络的能耗均衡。

3)传感器节点判断移动中继节点是否移动到与其“相同”的位置，若移至其相同的位置，则移动中继节点代替它完成分组转发的任务；若没有移动中继节点移至其“相同”的位置，则把通过多跳转发，把数据转发到簇头。

4)移动sink节点广播hello包和message包，寻找平均剩余能量最多的簇，然后移动到该簇头附近，接收数据。

5)当簇头准备发送数据时，首先判断是否有移动中继节点移动到其相同位置，若有，则移动中继节点代替该簇头节点把数据发送到移动sink节点中。

6)移动sink节点接收完数据之后，判断是否到达周期T(移动sink节点访问完所有的簇头节点)，如果到达，则重新选举簇头，进行下一轮的数据传输。每一轮数据传输周期为T。周期T的具体计算方法见公式(5)。

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}\sqrt{{(x_{i+1}-x_i)}^2+{(y_{i+1}-y_i)}^2}/V---\left(5\right)$

其中，V为sink节点的移动速度。

方法具体流程图如图3所示。

为了验证MEERP方法的性能，采用NS2仿真软件对该方法以及其他算法进行仿真。并将仿真结果与其他算法进行对比。仿真分别从网络整体消耗、网络中节点存活数以及sink节点收集到的数据量方面进行仿真分析。仿真区域设定为100m*100m，节点数为100，节点的位置随机生成。

图4是网络整体能耗的比较图，可以看出MEERP方法比MSEERP方法所消耗的能量少，其节能效果好，适用于节点能量有限的无线传感器网络。

图5是网络节点存活数的比较图，由图可知MEERP方法的节点存活时间长，其生命周期比MSEERP方法的生命周期延长了约75.3％。

图6是sink节点接收数据包数的比较图，可以看出在相同时间内MEERP方法比MSEERP方法接收的数据包多，所以MEERP方法能够更好的接收节点发送来的数据包，获取更多的监测环境信息。

Claims (1)

1.无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，具体如下：

1)根据网络边缘传感器节点的位置建立坐标系，综合网络的大小和传感器节点的个数计算出最优网格数，根据最优网格数把网络划分成大小相等的正方形网格，每个网格即为一个簇；

2)传感器节点根据自己的地理位置信息，判断自己所属的簇；

3)每个簇中要选举出一个簇头节点，用于接收其他节点的数据，再传输给移动sink节点；首先计算每个网格的中心坐标，然后计算节点剩余能量和到中心坐标距离的加权和，选择加权和最大的节点作为簇头节点；

4)簇内节点到簇头节点的数据传输采用多跳机制，通过轮询的方式，使簇内节点建立一个到簇头节点的最小跳数路由表；

5)移动中继节点的通信能力与传感器节点相同，但是其能量不受限制；并且其在网络中的移动轨迹是预先设定好的；

6)移动sink节点的能量不受限制，并采用能量可控的移动策略，即有目的的移动到平均剩余能量最大的簇接收数据；

7)传感器节点在转发数据之前要判断是否有移动中继节点移动到该传感器节点所在的位置，如果有，则把数据发送给移动中继节点，让移动中继节点代替其完成所有的分组转发任务，该节点只发送自己收集到的数据；如果没有，则把数据发送到其路由表中的下一跳节点；如果传感器节点是簇头节点，则把数据直接发送到移动sink节点；

8)移动sink节点在接收完数据之后，判断是否到达周期T，其中，T为每一轮数据传输周期，即sink节点访问完所有簇头节点的时间；若到达，则需要重新选举簇头，进入下一轮的数据传输；若没有到达，则继续广播消息，寻找下一个平均剩余能量最大的簇，然后移至其附近，接收数据。