CN103826285A - 一种无线传感器网络簇首选举及其轮换方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，它包括以下步骤：采用虚拟网格分簇方法对无线传感器网络内的所有节点进行分簇，获取各节点的地址编号；根据簇内节点相距网格簇几何中心的远近情况和簇内节点的剩余能量。进行簇首选举。本发明的簇首选举方法和轮换策略充分考虑了高能节点存在的情况，这点符合无线传感器网络的实际情况。同时，本发明最大限度地延长了无线传感器网络的工作寿命，使得无线传感器网络的实用性得到了提高。

Description

一种无线传感器网络簇首选举及其轮换方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物联网领域，具体地讲是一种无线传感器网络簇首选举方法及其轮换策略。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术和分布式信息处理技术的进步而发展起来的一种新兴的信息获取技术，是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。MIT技术评论TechnologyReview在预测未来技术发展的报告中指出，无线传感器网络处于在不远的将来改变世界十大新兴技术之首。

在无线传感器网络的研究与应用中，一般认为节点计算和通信能力有限，而且一般供电电源能量不是很充足，所以必须设计能量高效的网络协议。路由协议是无线传感器网络协议的核心内容，它节点相互通信，数据转发的基础。按照拓扑结构划分，无线传感器网络的路由协议可分两种：1）平面路由协议，网络中所有节点地位平等、功能相同，节点发送数据时需要通过其它节点中继以多跳的方式到达网关节点。这种协议的网络结构相对简单，路由算法易于实现，但节点需要维护较大的路由表，占据较多的存储空间以致资源开销较大，不适合大规模网络。典型路由协议有Flooding、Directed Diffusion和SPIN等协议；2）分簇路由协议，也称为层次路由协议，基本思想是将无线节点分簇，以某种策略推选簇头，簇内普通节点将数据发送到簇头，由簇头收集融合后汇聚到网关节点。这种路由可扩展性好，但建簇过程会消耗一定的能量，并且簇头消耗能量多，死亡快。典型的分簇协议有LEACH、TEEN和PEGASIS等协议。其中，LEACH协议是第一个以分簇为基础的层次路由协议，该协议的分簇结构相当清晰，易于管理，同时，数据融合技术的使用大幅度减少了数据量，对后续分簇路由的发展产生了深远影响。

簇状协议已经成为无线传感器网络路由协议发展的一个重要分支，而簇首选举和轮换策略一直是簇状协议设计的核心问题。以LEACH为代表的传统簇状协议采用等概率方式选举簇首，可能出现某轮推举不出簇头的情况。同时，随机产生的簇不能保证每个簇规模的一致性，这样会出现网络能量消耗不均衡。为了避免这种情况，以GAF代表的虚拟网格协议将网络划分成多个虚拟网格簇，在网格内选举和轮换簇首，一定程度上解决了传统簇状协议簇首分布不均衡的问题，由于这个优点，虚拟网格协议已经成为一类典型的簇状协议。

已有文献证明，簇首位于簇分布区域几何中心时，簇成员与簇首通信消耗的总能量最小，越接近几何中心，能量消耗越小。传统网格簇协议要判定节点是否靠近几何中心，必须已知节点物理坐标，但这点在实际中一般不容易办到。

发明内容

本发明的目的是针对传统网格簇协议要判定节点是否靠近几何中心，必须已知节点物理坐标，但这点在实际中一般不容易办到的问题，提出一种新型无线传感器网络簇首选举方法，并给出了对应的簇首轮换策略，能够很好地解决簇状协议在实际应用中存在的不便，有助于发挥无线传感器网络在物联网应用中的优势。

本发明的技术方案是：

一种无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，它包括以下步骤：

（1）、采用虚拟网格分簇方法对无线传感器网络内的所有节点进行分簇，获取各节点的地址编号；

（2）、根据簇内节点相距网格簇几何中心的远近情况和簇内节点的剩余能量。进行簇首选举。

本发明的步骤（2）具体包括：

（A）、在每个网格簇内，所有节点向簇内其他节点广播消息；

（B）、估算节点距离所在簇中心的远近情况：

a、采用下述公式计算节点i到其他N-1个节点的距离和：

其中：N表示簇内节点总数，i表示簇内任一节点编号，L₁,L₂,……,L_N-1表示节点i到其他N-1个节点的距离；

b、计算sum(i)的最大值：sum_max(i)=(N-1)×(2×R)²

其中：R表示所有节点的通信半径，

c、估算节点i距离所在族簇中心的远近情况

η(i)越小表示节点距离所在簇的几何中心越近，反之，则越远，重复步骤簇内每个节点将该值作为自身一个属性保存；

（C）、如果节点是高能节点，即采用固定电源供电，能量无限，则立即推选自己成为簇首，并将自身的η(i)值广播给簇内其他节点；

如果节点是低能节点，即采用电池供电，则随机产生一个0到1之间的随机数δ(i)，如果δ(i)>=η(i)则推选自己为簇首，并将自身的η(i)值广播给簇内其他节点；

（D）、当任一节点收到多个簇首广播的消息时，如果这几个簇首中包含一个高能节点，则首选高能节点作为簇首；如果包含两个或两个以上的高能节点，则选择η(i)值小的节点作为簇首；如果这几个高能节点的η(i)相等，则选择节点地址编号对应的十进制值最小的作为簇首；如果不包含高能节点，则选择η(i)值小的节点作为簇首，当η(i)相等时同样选择节点地址编号对应的十进制值最小的作为簇首；

当任一节点未收到任何簇首广播信息，则延时T_delay(i)=A(i)秒推选自身为簇首，其中A(i)是当前节点地址编号的十进制形式，被推选为最终簇首的节点的簇首标志位Head置1，表示该节点是担当过簇首，至此，初次簇首推选结束。

本发明的步骤（B）中，节点i到其他N-1个节点的距离L₁,L₂,……,L_N-1是由节点i收到其他N-1个节点的信号强度值P₁,P₂,……，P_N-1根据射频信号衰减模型获取的。

本发明的步骤（2）之后还包括簇首轮换的步骤：当簇首轮换周期到时，开始进行簇首轮换，从第二轮起，每轮除了选择一个最优簇首外，再选择一个次优簇首作为备用簇首。

本发明的括簇首轮换的步骤具体包括：

（A）、如果当前簇首是高能节点，则继续作为最优簇首，剩下的节点中如果存在一个高能节点，则将该高能节点作为次优簇首；如果存在多个高能节点，则选择η(i)次小的高能节点作为备用簇首；

（B）、如果除簇首外，当前簇再无高能节点，则根据式下式确定最优簇首和备用簇首：

$\mathrm{\ξ}\left(i\right)=\frac{E_{\mathrm{res}}\left(i\right)}{E_{\mathrm{init}}}\×(1-w)+w\×(1-\mathrm{\η}\left(i\right))$

其中，E_init表示节点i的初始能量，E_res(i)表示节点当前剩余能量，则

表示节点相对剩余能量情况，该值越大，节点越应该成为簇首，1-η(i)表示节点距离网格几何中心的远近程度，1-η(i)值越大，节点越距离网格几何中心越近，w表示权重，0≤w≤1，表示综合考虑当前节点的剩余能量和节点距离网格几何中心远近的情况，选择ξ(i)最大的低能节点作为最优簇首，而次大的节点则作为备用簇首；

（C）、如果当前簇首是低能节点，即当前簇内无高能节点，则在簇成员中根据步骤（B）中的公式确定最优簇首和备用簇首；

（D）、将前述步骤获取的最优簇首和备用簇首广播给簇内节点，完成簇首轮换。

本发明的w=0.3，表示优先考虑当前节点的剩余能量情况，同时兼顾节点距离网格几何中心的远近情况。

本发明的有益效果：

本发明中，在首轮簇首选举中创新性地采用了一种基于位置估算节点相距网格几何中心远近情况的方法，免去了传统类似协议中推选最优簇首时需要首先假定节点位置已知的不足，使得首轮簇首选举方法更加实用，更加能够方便地应用于信息监控领域。

本发明中，在首轮簇首选举之后给出了后续各轮簇首选举方法，该方法融合了节点距离网格中心远近信息以及节点的剩余能量信息，使得簇首的选举更加合理科学。

本发明的簇首选举方法和轮换策略充分考虑了高能节点存在的情况，这点符合无线传感器网络的实际情况。同时，本发明最大限度地延长了无线传感器网络的工作寿命，使得无线传感器网络的实用性得到了提高。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步的说明。

一种无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，它包括以下步骤：

（1）、采用虚拟网格分簇方法对无线传感器网络内的所有节点进行分簇，获取各节点的地址编号；

（2）、根据簇内节点相距网格簇几何中心的远近情况和簇内节点的剩余能量。进行簇首选举。

本发明的步骤（2）具体包括：

（A）、在每个网格簇内，所有节点向簇内其他节点广播消息；

（B）、估算节点距离所在簇中心的远近情况：

a、采用下述公式计算节点i到其他N-1个节点的距离和：

其中：N表示簇内节点总数，i表示簇内任一节点编号，L₁,L₂,……,L_N-1表示节点i到其他N-1个节点的距离；节点i到其他N-1个节点的距离L₁,L₂,……,L_N-1是由节点i收到其他N-1个节点的信号强度值P₁,P₂,……，P_N-1根据射频信号衰减模型获取的；

b、计算sum(i)的最大值：sum_max(i)=(N-1)×(2×R)²

其中：R表示所有节点的通信半径，

c、估算节点i距离所在族簇中心的远近情况η(i)越小表示节点距离所在簇的几何中心越近，反之，则越远，重复步骤簇内每个节点将该值作为自身一个属性保存；

（C）、如果节点是高能节点，即采用固定电源供电，能量无限，则立即推选自己成为簇首，并将自身的η(i)值广播给簇内其他节点；

如果节点是低能节点，即采用电池供电，则随机产生一个0到1之间的随机数δ(i)，如果δ(i)>=η(i)则推选自己为簇首，并将自身的η(i)值广播给簇内其他节点；

（D）、当任一节点收到多个簇首广播的消息时，如果这几个簇首中包含一个高能节点，则首选高能节点作为簇首；如果包含两个或两个以上的高能节点，则选择η(i)值小的节点作为簇首；如果这几个高能节点的η(i)相等，则选择节点地址编号对应的十进制值最小的作为簇首；如果不包含高能节点，则选择η(i)值小的节点作为簇首，当η(i)相等时同样选择节点地址编号对应的十进制值最小的作为簇首；

当任一节点未收到任何簇首广播信息，则延时T_delay(i)=A(i)秒推选自身为簇首，其中A(i)是当前节点地址编号的十进制形式，被推选为最终簇首的节点的簇首标志位Head置1，表示该节点是担当过簇首，至此，初次簇首推选结束。

本发明的步骤（2）之后还包括簇首轮换的步骤：当簇首轮换周期到时，开始进行簇首轮换，从第二轮起，每轮除了选择一个最优簇首外，再选择一个次优簇首作为备用簇首；具体包括：

（A）、如果当前簇首是高能节点，则继续作为最优簇首，剩下的节点中如果存在一个高能节点，则将该高能节点作为次优簇首；如果存在多个高能节点，则选择η(i)次小的高能节点作为备用簇首；

（B）、如果除簇首外，当前簇再无高能节点，则根据式下式确定最优簇首和备用簇首：

$\mathrm{\ξ}\left(i\right)=\frac{E_{\mathrm{res}}\left(i\right)}{E_{\mathrm{init}}}\×(1-w)+w\×(1-\mathrm{\η}\left(i\right))$

其中，E_init表示节点i的初始能量，E_res(i)表示节点当前剩余能量，则

表示节点相对剩余能量情况，该值越大，节点越应该成为簇首，1-η(i)表示节点距离网格几何中心的远近程度，1-η(i)值越大，节点越距离网格几何中心越近，w表示权重，w=0.3，表示综合考虑当前节点的剩余能量和节点距离网格几何中心远近的情况，选择ξ(i)最大的低能节点作为最优簇首，而次大的节点则作为备用簇首；

（C）、如果当前簇首是低能节点，即当前簇内无高能节点，则在簇成员中根据步骤（B）中的公式确定最优簇首和备用簇首；

（D）、将前述步骤获取的最优簇首和备用簇首广播给簇内节点，完成簇首轮换。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，其特征是它包括以下步骤：

（1）、采用虚拟网格分簇方法对无线传感器网络内的所有节点进行分簇，获取各节点的地址编号；

（2）、根据簇内节点相距网格簇几何中心的远近情况和簇内节点的剩余能量。进行簇首选举。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，其特征是所述的步骤（2）具体包括：

（A）、在每个网格簇内，所有节点向簇内其他节点广播消息；

（B）、估算节点距离所在簇中心的远近情况：

a、采用下述公式计算节点i到其他N-1个节点的距离和：

其中：N表示簇内节点总数，i表示簇内任一节点编号，L₁,L₂,……,L_N-1表示节点i到其他N-1个节点的距离；

b、计算sum(i)的最大值：sum_max(i)=(N-1)×(2×R)²

其中：R表示所有节点的通信半径，

c、估算节点i距离所在族簇中心的远近情况

η(i)越小表示节点距离所在簇的几何中心越近，反之，则越远，重复步骤簇内每个节点将该值作为自身一个属性保存；

（C）、如果节点是高能节点，即采用固定电源供电，能量无限，则立即推选自己成为簇首，并将自身的η(i)值广播给簇内其他节点；

如果节点是低能节点，，即采用电池供电，则随机产生一个0到1之间的随机数δ(i)，如果δ(i)>=η(i)则推选自己为簇首，并将自身的η(i)值广播给簇内其他节点；

（D）、当任一节点收到多个簇首广播的消息时，如果这几个簇首中包含一个高能节点，则首选高能节点作为簇首；如果包含两个或两个以上的高能节点，则选择η(i)值小的节点作为簇首；如果这几个高能节点的η(i)相等，则选择节点地址编号对应的十进制值最小的作为簇首；如果不包含高能节点，则选择η(i)值小的节点作为簇首，当η(i)相等时同样选择节点地址编号对应的十进制值最小的作为簇首；

当任一节点未收到任何簇首广播信息，则延时T_delay(i)=A(i)秒推选自身为簇首，其中A(i)是当前节点地址编号的十进制形式，被推选为最终簇首的节点的簇首标志位Head置1，表示该节点是担当过簇首，至此，初次簇首推选结束。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，其特征是所述的步骤（B）中，节点i到其他N-1个节点的距离L₁,L₂,……,L_N-1是由节点i收到其他N-1个节点的信号强度值P₁,P₂,……，P_N-1根据射频信号衰减模型获取的。

4.根据权利要求2所述的无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，其特征是所述的步骤（2）之后还包括簇首轮换的步骤：当簇首轮换周期到时，开始进行簇首轮换，从第二轮起，每轮除了选择一个最优簇首外，再选择一个次优簇首作为备用簇首。

5.根据权利要求4所述的无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，其特征是所述簇首轮换的步骤具体包括：

（A）、如果当前簇首是高能节点，则继续作为最优簇首，剩下的节点中如果存在一个高能节点，则将该高能节点作为次优簇首；如果存在多个高能节点，则选择η(i)次小的高能节点作为备用簇首；

（B）、如果除簇首外，当前簇再无高能节点，则根据式下式确定最优簇首和备用簇首：

$\mathrm{\ξ}\left(i\right)=\frac{E_{\mathrm{res}}\left(i\right)}{E_{\mathrm{init}}}\×(1-w)+w\×(1-\mathrm{\η}\left(i\right))$

其中，E_init表示节点i的初始能量，E_res(i)表示节点当前剩余能量，则

表示节点相对剩余能量情况，该值越大，节点越应该成为簇首，1-η(i)表示节点距离网格几何中心的远近程度，1-η(i)值越大，节点越距离网格几何中心越近，w表示权重，0≤w≤1，表示综合考虑当前节点的剩余能量和节点距离网格几何中心远近的情况，选择ξ(i)最大的低能节点作为最优簇首，而次大的节点则作为备用簇首；

（C）、如果当前簇首是低能节点，即当前簇内无高能节点，则在簇成员中根据步骤（B）中的公式确定最优簇首和备用簇首；

（D）、将前述步骤获取的最优簇首和备用簇首广播给簇内节点，完成簇首轮换。

6.根据权利要求5所述的无线传感器网络簇首选举及其轮换方法，其特征是所述的w=0.3，表示优先考虑当前节点的剩余能量情况，同时兼顾节点距离网格几何中心的远近情况。