CN103874163A

CN103874163A - 基于能耗均衡的无线传感器网络分簇方法

Info

Publication number: CN103874163A
Application number: CN201410134166.2A
Authority: CN
Inventors: 赵永翼; 宋波; 李宓; 陈爽; 李尚鹏; 吴鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络分簇方法和基于备份节点的簇内拓扑控制算法，包含：确定簇头位置和簇的范围，将簇划分为环半径相等的环带并以相同的角幅度分割出多个扇形，从而确定簇中节点传输范围；簇中节点在传统的树形拓扑上通过添加备份节点和隐含链接方式建立拓扑结构；生成的备份节点具有自愈特性，在出现节点失效时，网络局部可根据里外环带节点的信息进行自动修复，确保连通性；每个簇中选举备用簇头，将转发数据的能耗作为权值，利用最短路径算法来与外簇节点通信最终将信息转发到汇聚节点；本发明优点在于可以通过备份节点实现网络连通性，并且通过控制节点跳数、簇的区域范围以及设定优先级等方法最终实现能耗均衡。

Description

基于能耗均衡的无线传感器网络分簇方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络分簇方法和基于备份节点的簇内拓扑控制算法，主要目的是通过控制节点跳数、合理划分簇的区域范围以及设定优先级等方法最终实现能耗均衡。

背景技术

无线传感器网络是一种由分散的传感器节点以自组织方式构成的网络。通常情况下无线传感器网络中的节点都是随机散布的，它们的组织结构相似，网络中地位没太大差别，也没有预先指定的特定功能，常常部署于无人管理、条件较差的环境当中，节点使用电池供电，电量耗尽后不能人工补充和更换。能量受限是无线传感器网络中最棘手的问题。如要延长网络的寿命就要尽量降低工作节点的能量消耗，减小节点的有效传输距离，并且减少每个节点的覆盖面积，同时使用多跳中继的方法来传输数据。目前无线传感器网络的解决方式在于设计拓扑结构和路由协议。

LEACH协议是无线传感器网络协议中一种采用分簇方法来实现能量均衡的路由协议。LEACH协议在选举簇头节点阶段采用轮询方法。通过轮次变化重新选择簇头节点，把簇头较高的能量负载平均分摊到网络中所有节点，从而实现能耗均衡。每一轮分为两个阶段，建立阶段随机产生簇头,能量消耗较小，稳定阶段簇头进行数据融合，并将数据发送给sink节点，能量消耗较大。

LEACH协议中存在一些问题：

1.协议中虽然考虑了能耗均衡，但是没有考虑节点的初始能量和剩余能量，既然所有节点都要承受能量分配，某些初始能量小或剩余能量小的节点会因此过早死亡。

2.地理环境中节点不是均匀分配，不能合理的规划簇中簇头节点的密集程度以及簇中普通节点的数量，这将造成网络的不完全连通。簇头密集处会产生冗余，簇头稀疏处会造成负担过大，节点无必要的能量消耗，从而影响网络寿命。

传统的树状拓扑下，任意节点到汇聚节点的路径都是唯一的，当中间层的某节点失效时，以此节点为中继节点的通信路径就会全部失效。若假设每个节点与汇聚节点在单位时间内的通信次数是基本相同的，可以简单的证明：无论在什么拓扑结构中，与汇聚节点距离更近的节点必然承担更多的数据收发任务。已知在无线传感器网络中，节点中射频模块是主要的消耗能量的模块，进而可以推断出：在这种网络中，距离汇聚近的节点会更快的消耗能量，会更快的失效，从而导致造成全网失效。

目前的协议中，例如SAR路由协议是保证QoS的多路径路由协议。它以汇聚节点的邻居节点为树根依次建立树状拓扑结构。每一个树都会尽可能向剩余能量较多的邻节点延伸。树形拓扑建立完成后，汇聚节点周围的邻居节点都是树状拓扑的根节点，所以形成的多路径汇聚节点的邻居节点是不相交的，有效的减少了汇聚节点的邻居节点能量消耗过快的问题。但是SAR协议在节点数目较大的时候节点需要大量的冗余路由信息建立路由，在维护路由表及每个节点的状态表时开销会很大。

发明内容

本发明针对传统无线传感器网络的拓扑控制以及路由算法中能量分配不均衡、能量消耗不合理的现象提供了一种无线传感器网络分簇方法和基于备份节点的簇内拓扑控制算法，主要目的是要通过控制节点跳数、合理划分簇的区域范围以及设定优先级等方法最终达到能耗均衡。

本发明的技术方案为：

无线传感器网络中分布多个节点，首先要将节点划分为多个簇，每个簇中有一个簇头，多个簇中节点。每个簇都是独立的，簇中节点通过多跳方式将数据发送给簇头节点，簇头节点对数据进行融合和处理。簇与簇之间通过多个簇头进行数据转发，最终到达汇聚节点。

簇的划分方法为：设定一个簇头能量阈值，高于能量阈值的节点被直接选举为簇头节点，以簇头节点为中心，每个簇头节点在相邻的簇头节点中选取与自己最近的簇头节点的中垂线为半径形成多个相切的圆,每个圆的范围就是簇头节点所在簇的范围。考虑到节点每一跳消耗的能量问题，本发明每个簇以簇头为中心，划分出多个距离半径等值的同心圆，将相邻同心圆距离作为节点跳数，形成具有S个半径相同的环带（S∈N）的由内向外逐级递减的能量消耗值分布模式。此分布模式，以簇头为中心，以δ为角幅度划分簇，形成多个扇形区域。簇中节点是以扇形区域为范围，多跳的方式与簇头通信。要求S_i环带内的节点只能选择在同一扇形区域内S_i-1环带内的节点转发数据。

在时刻t_n(n∈N)无线传感器网络节点会检测到k(k∈N)个事件。要对这k个事件所要求的能量消耗值进行测试。根据能量消耗值将事件分为3个等级，分别为强消耗级、中消耗级和低消耗级事件。级别越高的事件越要优先调度，对于同一级别的事件先调度能量消耗小的事件。但若在规定时间T之内没有调度下一级事件，则自动转为下一级事件。

簇内节点传输路径：

以每个扇形为单位，将扇形区域中的节点组成一个树形拓扑结构。每个节点在收纳外环带节点时，将其中一个孩子节点设定为一个备份节点，在备份节点工作时，一旦父节点失效则开始执行交接程序，将原父节点剔除，激活隐含连接。

节点首先进入入网请求状态，根据父节点的状态判断自己的状态是普通的在网工作状态还是备份工作状态。备份节点每隔一段时间发送一个问询消息给原型节点，超时没有收到应答则认为通信中断一次，当中断次数到达若干次后，备份节点判定监视对象失效，开始启动工作交接程序，此时备份节点进入交接处理状态。当备份节点进入交接处理状态后，首先将自己与原型节点的激活链接断开并将自己状态转为入网请求状态，之后激活与原型节点的父节点的隐含链接，完成对上层的交接，命令上层删去死亡的原型节点的连接并更新路由。备份节点的状态转为在网工作状态，并逐个通知死亡原型节点的其他孩子节点，将其释放并促使它们转换到入网请求状态。当全部通知到位后，备份节点的交接工作完成。并将备份交接状态转化为在网工作状态。

收到备份节点通知的孩子节点转换到入网请求状态，优先与状态改变后的原备份节点连接，若这里的孩子节点还有更外层的节点，则不再释放而一次性将整个节点群全部迁移到新加入点，则保持孩子节点和其更下层节点的拓扑不变而全部因为孩子节点迁移到新加入点。这种情况下，需要完成一个节点群的路由信息更新，故这种迁移完成后，需要备份节点特别生成一个包含多目的地址和一个新路由地址的路由更新信息。

簇与邻簇之间传输路径：

由于考虑到能量消耗问题，簇中簇头节点不但要对本簇中节点进行数据融合和处理还要将数据转发给汇聚节点或者作为中继节点转发外簇簇头数据。因此，本发明将内环中剩余能量较高的节点作为备用簇头，工作簇头会将数据转发给备用簇头，本簇范围外的数据转发和处理会由备用簇头代替本簇簇头进行，从而减少了工作簇头的负担。备用簇头间以能量消耗值作为权值，用最短路径算法求出各个簇头到汇聚节点的最优路径。

附图说明

图1为本发明的实现过程流程图

图2为本发明一个独立簇的示意图

图3为簇内局部节点拓扑图

其中：图(a)为一个扇形内建立完成的拓扑结构；图(b)为节点b失效；图(c)为自愈运行后的结果

图4带下层节点群的孩子节点交接程序中接入方式示意图

图5备份簇头求最短路径示意图。

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，现配合附图说明如下：如图1为本发明的实现过程流程图。

1.簇的建立阶段

首先将节点均匀分布在一定地理区域内,检测每个节点的能量,设定一个簇头能量阈值β,高于簇头能量阈值β的节点则被认为是簇头节点。确定了簇头节点之后,每个簇头节点在相邻的簇头节点中选取与自己最近的簇头节点的中垂线为半径形成多个相切的圆,每个圆的范围就是簇头节点所在簇的范围。可以简单地证明：无论在什么拓扑结构中，与汇聚节点距离更近的节点必然承受更多的数据收发任务。同样，在每个簇中离簇头距离越近的节点能量消耗值越大，越远离簇头的节点能量消耗值越小，同样环境下，跳数相近或接近等距的节点能量消耗值近似相同。考虑到每一跳消耗的能量问题，本发明每个簇以簇头为中心，划分出多个距离半径等值的同心圆，将相邻同心圆距离作为节点跳数，形成具有S个半径相同的环带（S∈N）的由内向外逐级递减的能量消耗值分布模式。

根据此分布模式，以簇头为中心，以δ为角幅度划分簇，形成多个扇形区域。簇中节点是以扇形区域为范围，多跳的方式与簇头通信。要求S_i环带内的节点只能选择在同一扇形区域内S_i-1环带内的节点转发数据。这种分布方式的理由是扇形区域限制了节点为了寻找能量最适合的内环节点而因距离过大消耗过多的能量，同时环形分布模式在多跳方式下不但控制了节点的跳数，而且同一环带内的节点消耗在跳数上能量近似。如图2所示为本发明一个簇的结构示意图。

最终目的是使节点执行同一事件时除了数据处理外的其他因素所造成的能量消耗较为均衡。

2．建立簇内传输路径

无线传感器网络的特征是自组织和能量有限，而过于复杂的拓扑控制算法和路由算法本身又会加重网络负担。对于此问题，基于既兼顾跳数均衡原则又兼顾能耗均衡原则，本发明提出了一种基于备份节点策略的无线传感器网络拓扑控制算法。

算法的核心思想是以每个扇形为单位，将扇形区域中的节点组成一个树形拓扑结构。每个节点在收纳外环带节点时，将其中一个孩子节点设定为一个备份节点，在备份节点工作时，定期向父节点进行询问，一旦父节点失效则开始执行交接程序，将原父节点剔除，激活隐含连接，此处，被剔除后的原父节点在下文中被称为原型节点。

如图3a以图2簇中第一个扇形为例，树形拓扑建立后的示意图。其中a1,b1,c1,c3,c4,d2为正常节点，c2作为b1的备份节点,d1作为c3的备份节点,d3作为c4的备份节点，直线表示树形拓扑中的父子关系，即激活链接，弧线表示以备份节点为中心的隐含链接。由图3a可见，网络中每个节点都至少拥有一个激活链接和一个隐含链接。

节点共有4个状态，分别是入网请求状态，在网工作状态，备份工作状态以及交接处理状态。所以节点开始工作后首先进入入网请求状态，在其入网请求得到回应后，根据父节点的状态判断自己的状态是普通的在网工作状态还是备份工作状态，即成为普通孩子节点或者备份节点。备份工作状态或者交接处理状态是备份节点所独有的。备份节点每隔一段时间发送一个问询消息给原型节点，超时没有收到应答则认为通信中断一次，当中断次数到达若干次后，备份节点判定监视对象失效，开始启动工作交接程序，此时备份节点进入交接处理状态。

当备份节点进入交接处理状态后，首先将自己与原型节点的激活链接断开并将自己状态转为入网请求状态，之后激活与原型节点的父节点的隐含链接，完成对上层的交接。当隐含链接转换为激活链接后，通知上层关于原型节点死亡的消息，命令上层删去死亡的原型节点的连接并更新路由。当这一步完成后，备份节点的状态又转为在网工作状态，并逐个通知死亡原型节点的其他孩子节点，将其释放并促使它们转换到入网请求状态。当全部通知到位后，备份节点的交接工作完成。并将备份交接状态转化为在网工作状态。

以图3a的拓扑为例，其中若b1节点失效，则如图3b所示，与b1相关的所有激活链接（直线部分）全部失效，此时c2作为b1的备份节点会激活交接程序，连接在c2上的隐含链接（弧线部分）激活，顶替b1成为a1的孩子节点并将b1的其他孩子节点及更下层节点组入网络，通过执行交接程序，最后得到如图2c所示的新拓扑结构。可以看见，这个新拓扑结构中，c2将新加入的c1点升格成它的备份节点，即意味着即使c2在未来出现失效时，c1也会激活交接程序来顶替c2的位置。

收到备份节点通知的孩子节点转换到入网请求状态，优先与状态改变后的原备份节点连接，若这里的孩子节点还有更外层的节点，则不再释放而一次性将整个节点群全部迁移到新加入点，则保持孩子节点和其更下层节点的拓扑不变而全部因为孩子节点迁移到新加入点。如图4所示,因c2失效导致c4接入备份节点b1,且c4和c4的下层节点群局部关系不变,考虑到a1及a1更高层的节点中有关c4和c4的原路由信息的第一跳为c2,则需要b1向上发出一个路由更新信息,告知a1及更高层节点将c4和c4下层的节点群的第一跳地址改为b1。这种情况下，需要完成一个节点群的路由信息更新，故这种迁移完成后，需要备份节点特别生成一个包含多目的地址和一个新路由地址的路由更新信息。

此基于备份节点的拓扑控制算法，事实上只要节点密度可以满足连通，网络的连通性就能够一直维持下去，自愈形成的新拓扑会继承自愈的功能，每个节点的失效均不会对它的上下层关系造成破坏。在此算法下，对于网络中能耗不均匀的区域，可以通过直接补充节点或者非均匀节点分布密度来无缝的延续高能耗区域的连通性，备份节点可以成为多种延长网络生存时间策略的前提。

3.簇与邻簇之间的传输路径

本发明的无线传感器网络中包含多个独立的簇，每个簇包含一个簇头以及多个簇中节点，簇头的任务是将本簇的节点数据进行融合和处理。为了保持簇头的剩余能量和工作状态，这就需要选举一个备用簇头帮助工作簇头向汇聚节点进行数据转发，分担工作簇头与汇聚节点通信所消耗的能量，从而延长工作簇头的寿命。

工作簇头会在最内环带中将剩余能量最高的节点作为备用簇头。工作簇头将本簇节点信息处理后，转发给备用簇头。备用簇头不但要转发本簇节点的数据，还要作为中继节点转发外簇节点数据。

在备用簇头向汇聚节点转发数据的过程中，监测每个备用簇头需要发送信息所要消耗的能量并将能量消耗值作为权，使用最短路径算法，将汇聚节点作为源节点依次查找权最小的下一个节点，最终得出能耗均衡最优路径。如图5，图中A为汇聚节点，B,C,D,E,F,G 6为6个簇的备用簇头，每个备用簇头能耗已知，利用最短路径算法求出备用簇头A到备用簇头G之间簇头的最优路径。求最优路径的过程如下表所示。∞表示不可达，∽表示已有最短路径。首先，A作为源节点，到达B和C的能量耗值分别为7和15，其余节点不可达，则选取能耗小的路径作为A到B的最短路径，之后把B加入到A的前驱节点行列，向下寻找到达其余节点的最优路径。以此类推，可以求出节点A到每个节点的最小耗能路径。由下表所得节点AB之间路径为A-B，最小能耗为7；节点AC之间路径为A-C，最小能耗为15；节点AD之间路径为A-B-E-D，最小能耗为14；节点AE之间路径为A-B-E，最小能耗为12；节点AF之间路径为A-B-E-F，最小能耗为18；节点AG之间路径为A-B-E-D-G，最小能耗为22。

A

直达

<A,B>

<A,B,E >

<A,B,E,D>

<A,B,E,D,C>

<A,B,E,D,C,F>

B

7

∽

C

15

∽

D

∞

16

14

∽

E

∞

12

∽

F

∞

18

∽

G

∞

25

22

Claims

1.基于能耗均衡的无线传感器网络分簇方法及基于备份节点的簇内拓扑控制算法,其特征在于如下的方法：

1）确定簇的结构

2）建立簇内传输路径

3）簇与邻簇之间的传输路径

根据权利要求1所述，其特征在于：所述步骤1）中，检测每个节点的能量,设定一个簇头能量阈值β,高于簇头能量阈值β的节点则被认为是簇头节点,每个簇头节点在相邻的簇头节点中选取与自己最近的簇头节点的中垂线为半径形成多个相切的圆,每个圆的范围就是簇头节点所在簇的范围,将簇划分为环半径相等的环带并以相同的角幅度分割出多个扇形从而确定簇中节点传输范围，要求节点以扇形为单位进行数据传输，并且S_i层节点只能向S_i-1层节点传递数据。

2.根据权利要求1所述，其特征在于：所述步骤1）中，在时刻t_n(n∈N)无线传感器网络节点会检测到k(k∈N)个事件,要对这k个事件所要求的能量消耗值进行测试,根据能量消耗值将事件分为3个等级，分别为强消耗级、中消耗级和低消耗级事件,级别越高的事件越要优先调度，对于同一级别的事件先调度能量消耗小的事件,但若在规定时间T之内没有调度下一级事件，则自动转为下一级事件。

3.根据权利要求1所述，其特征在于：所述步骤2）中，以每个扇形为单位，簇中节点在传统的树形拓扑上通过添加备份节点和隐含链接方式建立拓扑结构；每个节点在收纳外环带节点时，将其中一个孩子节点设定为一个备份节点，在备份节点工作时，定期向父节点进行询问，一旦父节点失效则开始执行交接程序，将原父节点剔除，激活隐含连接,生成的备份节点具有自愈特性，在出现节点失效时，网络局部可根据里外环带节点的信息进行自动修复，确保连通性。

4.根据权利要求1所述，其特征在于：所述步骤3）中，选举一个备用簇头帮助工作簇头向汇聚节点进行数据转发，分担工作簇头与汇聚节点通信所消耗的能量，从而延长工作簇头的寿命,工作簇头会在最内环带中将剩余能量最高的节点作为备用簇头,在备用簇头向汇聚节点转发数据的过程中，监测每个备用簇头需要发送信息所要消耗的能量并将能量消耗值作为权，使用最短路径算法，将汇聚节点作为源节点依次查找权最小的下一个节点，最终得出能耗均衡最优路径。