CN104883301A - 基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议 - Google Patents

Abstract

一种基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议，属于无线传感器网络分簇路由协议。该路由协议中所有的节点均为候选簇头，从候选簇头中选择簇头，当每一轮每个节点都有数据发送，汇聚节点在传感器节点初始能量的情况下，根据每轮的分簇情况估计出传感器节点的剩余能量；簇头选择算法由汇聚节点执行；在成簇阶段，汇聚节点向网络中的所有节点发送分簇信息，分簇信息包括节点是不是簇头，是簇头时，簇头的下一跳路由信息；是成员节点，分簇信息表明簇头节点是哪一个节点；在通信阶段，成员节点向簇头节点报告采集到数据，簇头与汇聚节点之间以多跳的方式通信；簇头的选择保证了网络能量消耗的均匀分布，延长了无线传感器网络的生存时间。

Description

基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络分簇路由协议，特别是一种基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议。

背景技术

无线传感器网络中节点的能量是由自身携带的微型电池提供的，一般情况下，电池无法更换，所以无线传感器网络的使用时间受到能量的限制。分簇路由协议中簇头在融合了本簇的数据之后再将融合之后的数据发给汇聚节点，减少了数据的发送量，也减少了能量消耗。簇头负责簇的建立、簇内通信控制以及簇与汇聚节点之间的通信，在多跳通信方式中，靠近汇聚节点的簇头还要转发其他簇发给汇聚节点的数据。所以在分簇路由协议中簇头需要消耗过多的能量，造成能量消耗不均衡。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议，解决在分簇路由协议中簇头需要消耗过多的能量，造成能量消耗不均衡的问题。

本发明的目的是这样实现的：该路由协议中将所有的节点看作是候选簇头，再从候选簇头中选择最终的簇头，簇头选择方法如下：

首先定义权值矩阵P

定义1：权值矩阵P的元素，P[i,j]表示节点i作为节点j的簇头的权值，节点i的权值为矩阵P第i行的和；

P[i,j]＝1/log(Efs*dis(i,j)^2*10^12+10)*exp(node(i).p_E/Einit)  (公式2-1)

P[i,j]＝1/log(Emp*dis(i,j)^4*10^12+10)*exp(node(i).p_E/Einit)  (公式2-2)

上式中，Efs是自由空间放大电路能耗系数，Emp是多路径衰减空间放大电路能耗系数，dis(i,j)是节点i和节点j之间的距离，node(i).p_E是节点i当前的能量，Einit是节点的初始能量；

权值矩阵P采用公式2-1或公式2-2计算；如果节点i与节点j之间的距离小于d_o，则采用公式2-1计算，否则用公式2-2计算；

$d_0=\sqrt{\mathrm{EFs}/\mathrm{Emp}}$   (公式1)

式中：d_o表示为距离常数；

定义2：节点的竞争半径是指一个节点的竞争范围所覆盖的区域的最大半径，计算如公式3所示，

$R_c=(1-c\frac{d_{\max }-d(\mathrm{si},\mathrm{DS})}{d_{\max }-d_{\min }})R_C^0$

(公式3)

式中，d_max和d_min分别为网络中节点到汇聚节点的最大距离和最小距离，d(si,DS)为节点到汇聚节点的距离，为最大簇头竞争半径，c是控制取值范围的参数，取0～1之间的值；

在竞争过程中，如果候选簇首s_i宣布其竞选获胜，则处于其竞选半径中的其他候选簇头竞选失败，不能成为最终簇头；

簇头选择算法分为3步：①每一轮开始时计算权值矩阵P，将所有候选簇头按照权值P的大小排序；②在候选簇头集合中选择P值最大的节点为最终节点，假设节点i为候选簇头集合中P值最大的节点，则i为最终节点，节点i竞争区域内的其他候选节点放弃竞争，成为普通节点；③更新候选簇头集合，将步骤②中选择的最终簇头i以及i竞争范围内的其他所有节点从候选簇头集合中去掉，重复步骤②，直到候选簇头集合变为空集；

在选定簇头节点之后，算法为普通节点分配簇头，成员节点分配簇头是在最终簇头集合中选择与成员节点之间权值最大的最终簇头为该节点的簇头；

运行时间以“轮”为单位，一轮分为两个阶段，成簇阶段和通信阶段，簇头竞争算法由汇聚节点执行。

本协议下，当每一轮每个节点都有数据发送，并且数据包长度固定，汇聚节点在传感器节点初始能量的情况下，根据每轮的分簇情况估计出传感器节点的剩余能量。

簇头选择算法由汇聚节点执行；在成簇阶段，汇聚节点向网络中的所有节点发送分簇信息，分簇信息包括节点是不是簇头，若是簇头，还应包括该簇头的下一跳路由信息，若是成员节点，分簇信息应该表明其簇头节点是哪一个节点；

在通信阶段，成员节点向簇头节点报告采集到数据，簇头与汇聚节点之间以多跳的方式通信；

如果簇头距离汇聚节点的距离小于d₀，则簇头与汇聚节点之间直接通信，否则，簇头在下一跳路由候选集合中选择距离自己最近的两个簇头，然后在这两个簇头中选择剩余能量最大的簇头作为下一跳路由；簇头i的下一跳路由候选集合S_i.R_CH＝{S_j|d(S_j,DS)<d(S_i,DS)}，其中DS为汇聚节点，d(S_j,DS)为簇头j到汇聚节点的距离，d(S_i,DS)为簇头i到汇聚节点的距离。

有益效果，由于采用了上述方案，增加靠近汇聚节点的区域中簇头的数量，使更多的簇头承担数据转发的任务，并且在选择簇头时考虑节点的剩余能量以及与簇头之间的通信代价。在距离汇聚节点较近的地方布置了较多的簇头，在选择簇头时考虑了节点的剩余能量和节点与簇头之间的通信代价。簇头的选择保证了网络能量消耗的均匀分布。延长了无线传感器网络的生存时间。解决了在分簇路由协议中簇头需要消耗过多的能量，造成能量消耗不均衡的问题，达到了本发明的目的。

优点：有效的均衡了网络能量消耗，延长了网络的生存时间。

附图说明：

图1是本发明的协议运行时间图。

图中Round表示轮次，Tcl表示成簇阶段，Tcommunicate表示通信阶段。

具体实施方式

实施例1：该路由协议中将所有的节点看作是候选簇头，再从候选簇头中选择最终的簇头，簇头选择方法如下：

首先定义权值矩阵P

定义1：权值矩阵P的元素，P[i,j]表示节点i作为节点j的簇头的权值，节点i的权值为矩阵P第i行的和；

P[i,j]＝1/log(Efs*dis(i,j)^2*10^12+10)*exp(node(i).p_E/Einit)  (公式2-1)

P[i,j]＝1/log(Emp*dis(i,j)^4*10^12+10)*exp(node(i).p_E/Einit)  (公式2-2)

上式中，Efs是自由空间放大电路能耗系数，Emp是多路径衰减空间放大电路能耗系数，dis(i,j)是节点i和节点j之间的距离，node(i).p_E是节点i当前的能量，Einit是节点的初始能量；

权值矩阵P采用公式2-1或公式2-2计算；如果节点i与节点j之间的距离小于d_o，则采用公式2-1计算，否则用公式2-2计算；

$d_0=\sqrt{\mathrm{EFs}/\mathrm{Emp}}$   (公式1)

式中：d_o表示为距离常数；

定义2：节点的竞争半径是指一个节点的竞争范围所覆盖的区域的最大半径，计算如公式3所示，

$R_c=(1-c\frac{d_{\max }-d(\mathrm{si},\mathrm{DS})}{d_{\max }-d_{\min }})R_C^0$

(公式3)

式中，d_max和d_min分别为网络中节点到汇聚节点的最大距离和最小距离，d(si,DS)为节点到汇聚节点的距离，为最大簇头竞争半径，c是控制取值范围的参数，取0～1之间的值；

在竞争过程中，如果候选簇首s_i宣布其竞选获胜，则处于其竞选半径中的其他候选簇头竞选失败，不能成为最终簇头；

簇头选择算法分为3步：①每一轮开始时计算权值矩阵P，将所有候选簇头按照权值P的大小排序；②在候选簇头集合中选择P值最大的节点为最终节点，假设节点i为候选簇头集合中P值最大的节点，则i为最终节点，节点i竞争区域内的其他候选节点放弃竞争，成为普通节点；③更新候选簇头集合，将步骤②中选择的最终簇头i以及i竞争范围内的其他所有节点从候选簇头集合中去掉，重复步骤②，直到候选簇头集合变为空集。

伪代码如下：

在伪代码中S.TentativeHead为候选簇头集合，node(i).p_E为节点i的当前剩余能量，E_init为节点的初始能量。

在选定簇头节点之后，算法为普通节点分配簇头，成员节点分配簇头是在最终簇头集合中选择与成员节点之间权值最大的最终簇头为该节点的簇头；

运行时间以“轮”为单位，一轮分为两个阶段，成簇阶段和通信阶段，簇头竞争算法由汇聚节点执行；

本协议下，当每一轮每个节点都有数据发送，并且数据包长度固定，汇聚节点在传感器节点初始能量的情况下，根据每轮的分簇情况估计出传感器节点的剩余能量。

簇头选择算法由汇聚节点执行；在成簇阶段，汇聚节点向网络中的所有节点发送分簇信息，分簇信息包括节点是不是簇头，若是簇头，还应包括该簇头的下一跳路由信息，若是成员节点，分簇信息应该表明其簇头节点是哪一个节点；

在通信阶段，成员节点向簇头节点报告采集到数据，簇头与汇聚节点之间以多跳的方式通信。

如果簇头距离汇聚节点的距离小于d₀，则簇头与汇聚节点之间直接通信，否则，簇头在下一跳路由候选集合中选择距离自己最近的两个簇头，然后在这两个簇头中选择剩余能量最大的簇头作为下一跳路由；簇头i的下一跳路由候选集合S_i.R_CH＝{S_j|d(S_j,DS)<d(S_i,DS)}，其中DS为汇聚节点，d(S_j,DS)为簇头j到汇聚节点的距离，d(S_i,DS)为簇头i到汇聚节点的距离。

Claims (3)

1.一种基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议，其特征是：该路由协议中将所有的节点看作是候选簇头，再从候选簇头中选择最终的簇头，簇头选择方法如下：

首先定义权值矩阵P

定义1：权值矩阵P的元素，P[i,j]表示节点i作为节点j的簇头的权值，节点i的权值为矩阵P第i行的和；

P[i,j]＝1/log(Efs*dis(i,j)^2*10^12+10)*exp(node(i).p_E/Einit)(公式2-1)

P[i,j]＝1/log(Emp*dis(i,j)^4*10^12+10)*exp(node(i).p_E/Einit)(公式2-2)

上式中，Efs是自由空间放大电路能耗系数，Emp是多路径衰减空间放大电路能耗系数，dis(i,j)是节点i和节点j之间的距离，node(i).p_E是节点i当前的能量，Einit是节点的初始能量；

权值矩阵P采用公式2-1或公式2-2计算；如果节点i与节点j之间的距离小于do，则采用公式2-1计算，否则用公式2-2计算；

$d_0=\sqrt{\mathrm{Efs}/\mathrm{Emp}}$   (公式1)

式中：d_o表示为距离常数；

定义2：节点的竞争半径R_c，竞争半径R_c是指一个节点的竞争范围所覆盖的区域的最大半径：

$R_c=(1-c\frac{d_{\max }-d(\mathrm{si},\mathrm{DS})}{d_{\max }-d_{\min }})R_C^0$

(公式3)

式中：d_max和d_min分别为网络中节点到汇聚节点的最大距离和最小距离，d(si,DS)为节点到汇聚节点的距离，为最大簇头竞争半径，c是控制取值范围的参数，取0～1之间的值；

在竞争过程中，如果候选簇首s_i宣布其竞选获胜，则处于其竞选半径中的其他候选簇头竞选失败，不能成为最终簇头；

簇头选择算法分为3步：①每一轮开始时计算权值矩阵P，将所有候选簇头按照权值P的大小排序；②在候选簇头集合中选择权值矩阵P值最大的节点为最终节点，假设节点i为候选簇头集合中权值矩阵P值最大的节点，则i为最终节点，节点i竞争区域内的其他候选节点放弃竞争，成为普通节点；③更新候选簇头集合，将步骤②中选择的最终簇头i以及i竞争范围内的其他所有节点从候选簇头集合中去掉，重复步骤②，直到候选簇头集合变为空集；

在选定簇头节点之后，算法为普通节点分配簇头，成员节点分配簇头是在最终簇头集合中选择与成员节点之间权值最大的最终簇头为该节点的簇头；

运行时间以“轮”为单位，一轮分为两个阶段，成簇阶段和通信阶段，簇头竞争算法由汇聚节点执行。

2.根据权利要求1所述的基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议，其特征是：本协议下，当每一轮每个节点都有数据发送，并且数据包长度固定，汇聚节点在传感器节点初始能量的情况下，根据每轮的分簇情况估计出传感器节点的剩余能量。

3.根据权利要求1所述的基于剩余能量与通信代价的无线传感器网络分簇路由协议，其特征是：所述的簇头选择算法由汇聚节点执行；在成簇阶段，汇聚节点向网络中的所有节点发送分簇信息，分簇信息包括节点是不是簇头，若是簇头，还应包括该簇头的下一跳路由信息，若是成员节点，分簇信息应该表明其簇头节点是哪一个节点；

在通信阶段，成员节点向簇头节点报告采集到数据，簇头与汇聚节点之间以多跳的方式通信；

如果簇头距离汇聚节点的距离小于d₀，则簇头与汇聚节点之间直接通信，否则，簇头在下一跳路由候选集合中选择距离自己最近的两个簇头，然后在这两个簇头中选择剩余能量最大的簇头作为下一跳路由；簇头i的下一跳路由候选集合S_i.R_CH＝{S_j|d(S_j,DS)<d(S_i,DS)}，其中DS为汇聚节点，d(S_j,DS)为簇头j到汇聚节点的距离，d(S_i,DS)为簇头i到汇聚节点的距离。