CN105323818B - 基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法 - Google Patents

Abstract

基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法。针对无线传感网络“热点”问题，本发明提出一种基于距离和网络区域划分的非均衡分簇协议(UCNDD)，在UCNDD算法设计中，采用网络区域划分与分簇相结合的算法，首先定义一个以基站为圆心的环形节点临域，根据距离基站的节点距离将网络划分，临域节点仅作为与基站联系的节点，其余范围的节点，执行优化的分簇路由协议，采用定时机制建立簇，并设定节点不同的竞争半径，使整个网络呈现不均等的分簇，在发送信息路径选择上，亦综合考虑了簇头节点的能量，距离及节点度信息，来选择下一跳节点。通过两种机制相结合的方式，在所适用的区域，能更好的平衡整个网络的能量消耗，延长网络的生存周期。

Description

基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法

【技术领域】

本发明属于计算机应用与物联网结合的技术领域。

【背景技术】

无线传感网络是由大量的微传感器节点组成的，它们被部署在指定的区域，通过单跳或多跳的方式自组织的形成一个无线通信网络系统，这种系统被广泛应用于各种物理环境中监测数据，尤其是恶劣的或特殊的人们无法接近的环境中正常工作。

那些微传感器节点容易部署，但也由于能量有限的缺点，严重制衡了无线传感网络的应用与发展。因此在许多无线传感网络系统的研究中，如何延长网络的生存时间，均衡网络能量消耗称为重要的目标，许多学者对更加节能的网络拓扑构造、路由算法及协议设计进行了大量研究，多种机制被应用于无线传感网络的节能策略中。其中，采用基于分簇的层次型路由算法相对于平面路由算法有更好的适应性和节能性。分簇算法是将传感器网络的节点划分为不同的簇，每个簇中有一个簇首节点，簇中的其余成员节点将信息发送给簇首节点并由簇首节点进行数据的融合和转发，如图1所示。其中，簇首的选择是分簇算法的关键，如何通过簇首的选择来形成高质量的簇从而降低节点能耗的研究有着重要的意义。

在基于分簇的层次型路由协议中，比较典型的分簇路由协议有LEACH，LEACH-C，HEED等，LEACH协议中，根据设定的概率值选择簇头，并且簇头实行周期轮换，形成相同大小的簇，传递信息时，簇头节点将信息直接单跳发送到基站，能耗性和均衡性方便都较差；HEED是一种使用固定簇半径的分簇协议，协议通过两个主次参数来选举最终簇头，并实行多跳通信的机制。

在这些典型层次路由算法中，由于区域内的所有节点都在向基站方向发送信息，所以在假设区域内监测事件发生概率相同的情况下，所有节点的信息总是会通过距离基站较近的节点发送给基站，这样就会使得基站附近的节点能量消耗要比远离基站的节点快，从而造成能量消耗严重不均衡，在基站附近，节点形成能量空洞，即WSN的网络“热点”问题，当这部分节点能量耗尽后，距离远的节点不得不加大通信功率与基站联系，从而造成更大的能量消耗，加速网络的死亡。

网络模型：网络具有这样的特征：所需要监测的为一个AreaM×AreaM的方形区域，所有节点随机均匀分布在该区域内，该网络只有一个基站，且在监测距离外一定距离，基站具有足够的能量。

区域内传感器节点数量为n，每个节点的唯一标识为N_i。

假设传感器节点具有以下特征：

(1)区域中的节点都是静止不动的；

(2)节点都有唯一的标识ID；

(3)每个节点具有相同的初始能量和通信能力及计算能力；

(4)节点可以根据通信距离调整传输功率；

(5)网络环境通信良好，传感器节点可以根据接收能量判断传输距离；

(6)节点不具备位置感知能力，不具有GPS等位置感知装置；

则网络中所有节点的集合为V，V＝{N_i|1≤i≤n}。

能量消耗模型：通常一个典型的无线传感器节点由4个模块组成，传感单元，处理单元，通信单元及供应电池，其中，消耗能量的前三个模块能耗各不相同，它们在节点中的能耗对比如图2所示。

从图中可以看出，占节点总体能耗比例最大的是通信单元的无线收发。而对于无线收发中的4个状态：发送，接收，监听和睡眠，发送信息所消耗的能量最多，接收和监听占其次，睡眠状态下耗能最小，而处理单元和传感单元所消耗的能量远远小于通信单元，相对于节点的总体能耗来说，可以忽略不计，所以在大部分能量消耗模型中，都只是考虑通信单元的无线收发能量消耗。

数据融合模型：数据融合技术是将网络中若干节点的多个信息或数据进行处理，整合出更有效，更符合需求的信息的过程，核心主要是对网内冗余数据的处理，即簇头节点或中继节点在接收并转发数据时，首先对接收的数据进行整合处理，去除冗余信息，在满足应用需求的前提下，最小化数据传输量，从而节省节点发送信息的能耗。

采用较好的数据融合技术减少传输数据量，是节能分簇路由的重要基本思想之一，在实际网络应用中，通过将数据融合技术与高效路由协议相结合，已存在许多相关数据融合技术，但因为簇间数据的差异性较大，在本发明仿真中，将不考虑簇间的数据融合，中继簇头只负责数据转发，而对簇内成员节点的数据融合，为了便于仿真，假设为：每个成员节点向簇头发送kbits的数据，无论簇内节点数目为多少，均压缩为kbits数据，簇内数据融合能耗设定为E_CH.D＝5nJ/bit。

【发明内容】

本发明的目的是为了使网络能耗更均衡，本发明算法将网络进行区域划分，并结合不同的竞争半径机制，实现网络中簇的不均匀分布，以更好的解决网络“热点”问题。

本发明技术方案

基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法，该方法包括如下关键步骤：

第1、网络区域划分：在M×M的监测区域中，基站位于监测区域的外部，距离基站较近区域的节点，作为整个监测区域的中继节点与基站通信，这部分节点所在的区域定义为邻域，这些节点称为邻域节点，其他节点皆为非邻域节点；我们采用如下方式选取邻域的范围，以基站为圆心，向外画环形，以R为第一层的半径，环与环之间的距离为r，则：

其中r为邻域环形的半径差，n为区域中节点的总个数，M为方形监测区域的边长长度，R为基站与区域边界的最近距离。

如果节点到基站的距离d_toBS(N_i)满足：d_toBS(N_i)≤R+r，1≤i≤n，则此节点标记自己为邻域节点，否则，则为非邻域普通节点，N_i为节点的唯一标识ID。

第2、簇的建立：分簇阶段，邻域节点进入休眠，并且在每轮簇的重构阶段都进入休眠状态，非邻域节点执行分簇。

第2.1、非邻域节点在确定自己的区域后，每个节点计算自己的竞争半径，计算公式为：

其中，d_dist为区域远边界到基站的距离，AreaM为监测区域的边长，d_to_BS(N_i)为节点N_i到基站的距离，R_c为节点的最大竞争半径，c为用来控制取值范围的参数。

第2.2、非邻域节点在竞争半径内以泛洪的方式广播自己的ID信息，非邻域内所有节点根据收到的信息统计自己的节点度为

N_i.D＝{N_i|N_i∈V_usual,d(N_i,N_j)≤N_i(R)}，

其中V_usual为所有非邻域节点的集合，d(N_i,N_j)为节点N_i与N_j之间的距离。

第2.3、非邻域节点根据公式计算出自己的定时时间，其中，α+β+γ＝1，为各参数的权重调节系数，δ为一个调节系数，T_CH0为设定的最大竞争时间，E₀为节点的初始能量，E_R(N_i)为节点当前的剩余能量，N_i.D为节点的节点度，N_i(R)为节点的竞争半径。

第2.4、为了节省成簇时各种广播交换信息的能量消耗，只在初始准备阶段，所有节点广播一次消息，在以后的簇重构周期中，都采用定时机制，每个节点根据第2.3步的公式计算出自己的定时时间，若在定时时间内没有收到其他节点的广播消息，则确定自己为簇头，确定的簇头节点在自己的竞争半径内广播成为簇头的消息；若在定时时间内收到其他节点的广播消息，就自动退出簇头竞争进入等待状态，到达最大竞争时间后，进入等待的节点，根据收到的簇头广播消息，选择相应的簇加入；在网络分簇阶段终止时，每个存活的节点都会成为簇头节点或簇的成员节点。

第3、簇间路由确定：每个上级簇头节点在自己的下级簇头信息表中计算选出自己的下一跳簇头节点，邻域节点都作为独立的簇头节点对待。

第3.1、簇间路由建立由远端节点发起，所有簇头节点进行消息广播，广播半径选择为自身竞争半径的3倍，寻找下级簇头信息，各簇头节点根据收到的消息，当簇头传来的基站距离大于等于自身与基站的距离时，为上级簇头，不予处理，反之，为下级簇头信息，在每个簇头节点建立下级簇头信息表。

第3.2、簇头CH_i通过如下函数式选择函数值最大的簇头CH_j作为下一跳节点，选择下一跳的函数式为其中，E_R(CH_j)为簇头CH_j的剩余能量，为下级簇头的平均剩余能量，CH_j.D为簇头CH_j的成员节点度。

第3.3、邻域中的节点不分簇，在此阶段都当作独立的簇头处理，当邻域节点在收到簇头的广播消息后，被唤醒，并将自身的信息反馈给簇头，簇头根据邻域节点发来的信息计算选择函数，确定下一跳邻域节点；这样通过每级选择，网络路由建立起来。

本发明的优点和积极效果

本发明主要设计了一种基于网络区域划分和距离的不均匀分簇节能路由算法，在本算法中将网络区域划分，在减少临近基站节点能耗的同时，也延长了网络的生命周期，对于分簇和路由机制的改进，也节省并均衡了网络能量消耗，本发明算法对比其他三者有更好的网络能量均衡表现和更长的网络有效工作时间。

【附图说明】

图1现有技术中无线传感网络结构图。

图2是无线传感器节点能耗分布。

图3是网络模型图。

图4是准备阶段与分簇阶段流程图。

图5是路由流程图。

图6簇头数量与c值及竞争半径关系图。

图7LEACH簇头数目图。

图8UCNDD簇头数目图。

图9簇头能耗图。

图10死亡节点分布图。

图11网络生命周期图。

图12网络发送数据包。

图13网络能耗图。

图14网络能耗均值变化图。

图15网络能耗标准差图。

【具体实施方式】

本发明设计方法中，整个准备阶段与分簇阶段流程如图4所示，路由建立阶段流程如图5所示。

在发明设计方法中，由于基站是位于区域外侧的，尤其在一些环境恶劣的、需要抛洒节点的区域，基站肯定是会与监测区域有一定距离的，在这种情况下，显然无论是单跳路由通信还是多跳路由，节点能量的消耗与基站距离有关，且距离近的节点会比远的节点消耗的更快，为了使网络能耗更均衡，本发明方法将网络进行区域划分，并结合不同的竞争半径机制，实现网络中簇的不均匀分布，以更好的解决网络“热点”问题。

本发明具体实施过程：

节点分布范围200m×200m，BS节点坐标(250,100)，网络节点总个数n＝400，R_c＝90，E₀＝0.3J。我们取5个节点为例，详细说明设计算法的路由确定过程。已知节点坐标N₁(190，100),N₂(100，100)，N₃(150，100)，N₄(50，100)，N₅(0，100)。

第1、网络区域划分：

第1.1、确定邻域，定义邻域。在AreaM×AreaM的监测区域中，由于基站位于监测区域的外部，且有一定距离，当以基站为圆心向监测区域辐射时，距离越远环形区域越大，包含节点越多，而距离基站较近区域的节点，作为整个监测区域的中继节点与基站通信，这部分节点所在的区域定义为邻域，这些节点称为邻域节点。

区域中的每个节点根据距离基站的距离加入相应的域，假设第一层的半径为R,以基站为圆心，向外画环形，环与环之间的距离为r。

半径R的确定：为了更好的节省临近基站的节点的能量，就要使这部分区域的节点减少或不执行簇的重构，只负责作为转发消息与基站联系，这样就避免了既分簇又与基站联系的过多能量消耗，而且由于已经证明的，在一定距离内单跳远距离通信消耗能量要比多跳通信多，为了节省与基站单跳通信的能量，所以选择基站与区域边界的最近距离为半径R＝50。

我们以下面的公式选取邻域的范围：

其中r为邻域环形的半径差，n为区域中节点的总个数，M为方形监测区域的边长长度。

假设区域边界到基站的最近距离为R，那么邻域在监测区域内的边界到基站的距离便为R+r＝50+11＝61，如下图3所示。我们设定邻域中的节点不参与分簇，减少重构能量消耗，只负责接收信息并发送给基站。

第1.2、如果节点到基站的距离满足：d_toBS(N₁)＝60＜61，则节点N₁标记自己为邻域节点，记为N_1near＝1；d_toBS(N₂)＝150＞61，d_toBS(N₃)＝100＞61，d_toBS(N₄)＝200＞61，d_toBS(N₅)＝250＞61，记为N_2near＝0，N_3near＝0，N_4near＝0，N_5near＝0，，N_i为节点的唯一标识ID，则节点的集合可以表示为V＝V_usual∪V_near，其中V_usual＝{N_i|d_toBS(N_i)≤R+r}，为邻域节点集合，V_usual为非邻域普通节点集合。

第2、簇的建立：分簇阶段，邻域节点进入休眠，并且在每轮簇的重构阶段都进入休眠状态，非邻域节点执行分簇；

第2.1、当邻域确定后，邻域中节点N₁自动进入休眠状态，不广播也不接受信息，并且在每轮簇的重构阶段都进入休眠状态，这样就节省了邻域节点的能量开销。非邻域节点N₂，N₃，N₄在确定自己的区域后，开始执行分簇，分簇的过程采用竞争机制，每个节点有自己不同的竞争半径，计算公式为：

其中，d_dist为区域远边界到基站的距离为250，AreaM为监测区域的边长为200，d_toBS(N_i)为节点N_i到基站的距离，R_c为节点的最大竞争半径为90，c为用来控制取值范围的参数，其取值范围为[0，1]，我们选取c＝0.5。所以N₂(R)＝67.5，N₃(R)＝56.2，N₄(R)＝78.8，N₅(R)＝90，由公式可以看出，将与基站的距离加入竞争半径计算后，距离基站越近的点，竞争半径越小，越远的点，竞争半径越大，这样就实现了网络的不均等分簇，使网络中的节点，越靠近基站，越能节省成簇的能量消耗。

第2.2、非邻域节点在竞争半径内以泛洪的方式广播自己的ID信息，节点根据收到的信息统计自己的节点度N_i.D＝{N_i|N_i∈V_usual,d(N_i,N_j)≤N_i(R)}。

其中V_usual为所有非邻域节点的集合，d(N_i,N_j)为节点N_i与N_j之间的距离，d(N₂,N₃)＝50，d(N₂,N₄)＝50，d(N₂,N₅)＝100，d(N₃,N₄)＝100，d(N₃,N₅)＝150，d(N₄,N₅)＝50。

定义节点度。即节点感知范围内的邻居节点个数，定义为：

N_i.D＝{N_i|N_i∈V_usual,d(N_i,N_j)≤N_i(R)} (3)

其中V_usual为所有非邻域普通节点的集合，若d(N_i,N_j)这个距离小于等于节点的竞争半径，即节点所能广播通信到的范围。初始阶段，当节点收到广播消息后，将发送消息的节点到自身的距离与自己的广播半径比较，若在自己的广播半径内，记为此节点的邻居节点，并累加为节点度；N₂·D＝2，N₃·D＝1，N₄·D＝2，N₅·D＝1。

第2.3、非邻域节点根据公式计算出自己的定时时间，其中，α+β+γ＝1，为各参数的权重调节系数，δ为一个调节系数，设为(0.9，1)之间的一个随机数，为了减少节点间广播消息时，时间冲突的可能性，我们随机取δ＝0.95，T_CH0为设定的最大竞争时间为1，E₀为节点的初始能量设为0.3，E_R(N_i)为节点当前的剩余能量，E_R(N₁)＝0.2，E_R(N₂)＝0.2，E_R(N₃)＝0.25，E_R(N₄)＝0.1，E_R(N₅)＝0.3，N_i.D为节点的节点度，n为节点的总个数，N_i(R)为节点的竞争半径；

设置定时时间公式为：

由式(4)可以看出，影响定时时间设定的主要有三个参数，当节点剩余能量越多，节点度越高，竞争半径越大时，所设定的定时时间越短，即越容易成为簇头节点。

因为α+β+γ＝1，所以我们随机设α＝0.1，β＝0.4，γ＝0.5，则T_CH(N₂)＝0.22，T_CH(N₃)＝0.3，T_CH(N₄)＝0.25，T_CH(N₅)＝0.29。

第2.4、为了节省成簇时各种广播交换信息的能量消耗，只在初始准备阶段，所有节点广播一次消息，在以后的簇重构周期中，都采用定时机制，每个节点根据公式计算出自己的定时时间，若在定时时间内没有收到其他节点的广播消息，则确定自己为簇头，确定的簇头节点在自己的竞争半径内广播成为簇头的消息；若在定时时间内收到其他节点的广播消息，就自动退出簇头竞争进入等待状态，到达最大竞争时间后，进入等待的节点，根据收到的簇头广播消息，选择相应的簇加入；在网络分簇阶段终止时，每个存活的节点都会成为簇头节点或簇的成员节点；若节点的定时时间比较小，会首先宣布成为簇头，其竞争半径内的节点则退出竞争，选择合适的簇头成为成员节点。

根据我们的假设，显然节点N₂首先确定为簇头，且节点N₃,N₄在定时时间内收到节点N₂的消息，进入等待状态，节点N₄首先竞争时间结束，成为簇头N₂的成员节点，N₅在定时时间内不能收到其他节点的广播消息，确定为簇头，最后节点N₄，定时时间结束，成为簇头N₂的成员节点。

整个准备阶段与分簇阶段流程如图4所示。

第3、簇间路由确定：每个上级簇头节点在自己的下级簇头信息表中计算选出自己的下一跳簇头节点，邻域节点都作为独立的簇头节点对待；

第3.1、簇间路由建立由远端节点发起，所有簇头节点进行消息广播，广播半径选择为自身竞争半径的3倍，寻找下级簇头信息，并在每个簇头节点建立下级簇头信息表；

簇头N₂广播的信息包括：自身的ID信息，到基站的距离67.5，本簇的成员节点度2，本节点的剩余能量0.2；N₅广播的信息包括：自身的ID信息，到基站的距离90，本簇的成员节点度1，本节点的剩余能量0.3。

各簇头节点根据收到的消息，当簇头传来的基站距离大于等于自身与基站的距离时，为上级簇头，不予处理，反之，为下级簇头信息，这里，我们为了寻找下一跳转发节点，只关心下跳簇头信息，在每个簇头节点建立下级簇头信息表。如表1所示。

表1

从簇头CH₅发送消息到CH₂，且CH₂为下级簇头，定义一个距离差公式

d_select＝d(CH_i,CH_j)-[d_toBS(CH_i)-d_toBS(CH_j)] (5)

则d_select＝d(CH₅,CH₂)-[d_toBS(CH₅)-d_toBS(CH₂)]＝0

其中d(CH_i,CH_j)为两簇头之间的距离，由公式可以看出，当d_select越小且越接近于0时，两簇头越接近于在连向基站的一条直线上，为转发消息到基站的最短路径，这会影响下一跳节点位置的优化选择。

第3.2、簇头CH₅通过如下函数式选择函数值最大的簇头CH₂作为下一跳节点，选择下一跳的函数式为

其中，E_R(CH_j)为簇头CH_j的剩余能量，为下级簇头的平均剩余能量CH_j.D为簇头CH_j的成员节点度；

第3.3、邻域中的节点不分簇，在此阶段都当作独立的簇头处理，当邻域节点在收到簇头的广播消息后，被唤醒，并将自身的信息反馈给簇头，显然邻域节点都为下级节点，簇头根据邻域节点发来的信息计算选择函数，确定下一跳邻域节点；这样通过每级选择，网络路由建立起来。邻域节点没有下一跳节点，收到远区域转发来的信息后，根据与基站的距离，直接单跳将信息发送到基站。

邻域节点都作为独立的簇头节点对待，其成员节点度为0。这样通过每级选择，网络路由建立起来，邻域节点收到信息后，根据与基站的距离，以一定的功率直接转发到基站。

路由建立阶段流程如图5所示。

网络节点热度的分析：网络中有可能会出现两个或多个簇头节点，选择同一下跳簇头节点作为转发节点的情况，即此节点的转发热度较高，本算法之所以没有考虑下跳节点的转发热度，是因为由网络拓扑可知，整个网络成簇是由近及远呈层次大小变化的，下一跳会选择接近于与基站为直线距离的，各簇头节点的转发热度不会差距太大，且已经将剩余能量考虑在内，上一周期转发热度相对高一些的簇头节点，在新的分簇和转发周期都会计算为小概率，从而节省热度较高节点的能量，保证能量消耗均衡。

并且，若要记录某簇头节点的转发热度，需要在上一级节点确定自己为下一跳节点后广播通知自己的转发热度，在3倍于自身竞争半径的广播半径下，为了通知到所有的上级节点，这对于转发热度相对较高的簇头节点来说，反而会加大能耗，与此簇头作为下一跳节点直接转发消息代价是等同的。

发送消息的能量消耗量与广播距离有关，在路由确定阶段，由于簇头节点会以更长的距离广播，能量消耗相对于簇内通信大得多，所以要尽量减少簇头间的广播次数，综合考虑下以相对少的能量代价获得一个优化的路由路径。

本发明中网络的仿真借助于MATLAB平台，对本算法进行验证，并与典型的LEACH协议，EEUC协议及对EEUC的改进协议,在相同的情景与条件下进行对比分析，其中(a)，(b)，(c)，(d))分别表示LEACH协议，EEUC协议，I_EEUC协议和本文算法UCNDD协议。

网络中的节点随机分布在200m×200m的区域内，基站位于监测区域的外侧，本文设置两种场景模拟，分别设场景Ⅰ，基站位于(250，100)，场景Ⅱ，基站位于(300,100)。

网络中的参数设置：

表2仿真参数

簇头的变化：本文算法中，簇头的数目受c的取值和最大竞争半径设定的影响，簇头数目为未有死亡节点时，随机轮次的平均值，图6中反映了在c取三种不同的值时，簇头数目与最大竞争半径的关系，最大竞争半径取值越小，簇头数目越多，而c取值越大，节点的竞争半径越小，所以线型越高，则簇头数目越多。

成簇的数量在层次路由中是一个很重要的指标，会直接影响网络的整体性能，对于某个网络环境来说，每轮都有一个期望的成簇数量，如图7，图8所示，LEACH协议中，由于簇头是按概率随机选取的，所以簇头数量的起伏较大，而本算法采用的定时与距离结合的分簇机制，使网络中的分簇数量保持一个数量的基本平衡，在未有节点死亡时，不会产生过多或过少的簇。

由于簇头数量的不稳定及分簇算法的不同，亦导致每轮中所有簇头消耗能量的差别，如图9所示，为网络前30轮的簇头能量消耗，由图可以看出，LEACH协议的簇头能量消耗不仅大，而且很不稳定，EEUC和I_EEUC及本算法簇头消耗比较稳定，但由于本算法采用了定时选取簇头的策略，相比其他协议,节省了部分簇头开销。

图10分别为LEACH,EEUC,及本协议的死亡节点分布，由图可以看出Leach协议由于簇头需要将信息直接传送到基站，所以距离远的节点先死亡，而与LEACH正相反，EEUC通过多跳路由将信息传送到基站，距离基站近的节点消耗较大，而在本协议中，通过网络划分出邻域，减缓了临近基站节点的死亡，使网络能耗更均衡一些。

在本实验中，当网络中的节点没有足够的能量再接收或发送信息时，记为节点死亡，图11为网络场景Ⅰ和场景Ⅱ的生命周期对比图。

由图可以看出，由于LEACH的单跳路由机制，节点能量消耗不均衡，未足200轮时就有死亡节点出现，且在基站坐标远离后，生命周期明显缩短，而对比EEUC，I_EEUC与本协议，基站坐标远离后，网络生命周期虽无明显变化，但在死亡节点出现的前期，都出现了振荡，因为基站的远离，会导致临近节点更快的死亡，但由于本协议邻域的加入，使得振荡幅度相比其他两种非均匀分簇协议偏小。

图12为网络存活时，网络中传送的数据包的数量对比，生命周期的延长及能耗的减少，使本算法在网络中传送了更多的数据包。

图13为四种协议的网络能耗对比，本协议的曲线明显低于LEACH，EEUC和I_EEUC，显示了较慢的能量消耗及更长的网络生存时间

图14，图15为四种协议的网络能耗均值及标准差的对比，在网络能耗均值图中，本协议的曲线高于另外三种协议，显示了较少的能量消耗；在能耗标准差图中，本协议的标准差数值一直较低且变化不大，显示了更好的能耗均衡性。

本发明主要设计了一种基于网络区域划分和距离的分均匀分簇节能路由方法，在本发明算法中将网络区域划分，定义了邻域的概念，在减少临近基站节点能耗的同时，也延长了网络的生命周期，对于分簇和路由机制的改进，也节省并均衡了网络能量消耗，通过实验对LEACH，EEUC和I_EEUC协议作了对比仿真分析，结果显示，本算法对比其他三者有更好的网络能量均衡表现和更长的网络有效工作时间。

Claims (1)

1.基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法，其特征在于该方法包括如下关键步骤：

第1、网络区域划分：在M×M的监测区域中，基站位于监测区域的外部，距离基站较近区域的节点，作为整个监测区域的中继节点与基站通信，这部分节点所在的区域定义为邻域，这些节点称为邻域节点，其他节点皆为非邻域节点；我们采用如下方式选取邻域的范围，以基站为圆心，向外画环形，以R为第一层的半径，环与环之间的距离为r，则：

其中r为邻域环形的半径差，n为区域中节点的总个数，M为方形监测区域的边长长度，R为基站与区域边界的最近距离；

如果节点到基站的距离d_toBS(N_i)满足：d_toBS(N_i)≤R+r，1≤i≤n，则此节点标记自己为邻域节点，否则，则为非邻域普通节点，N_i为节点的唯一标识ID；

第2、簇的建立：分簇阶段，邻域节点进入休眠，并且在每轮簇的重构阶段都进入休眠状态，非邻域节点执行分簇；

第2.1、非邻域节点在确定自己的区域后，每个节点计算自己的竞争半径，计算公式为：

其中，d_dist为区域远边界到基站的距离，AreaM为监测区域的边长，d_toBS(N_i)为节点N_i到基站的距离，R_c为节点的最大竞争半径，c为用来控制取值范围的参数，其取值范围为[0，1]；

第2.2、非邻域节点在竞争半径内以泛洪的方式广播自己的ID信息，非邻域内所有节点根据收到的信息统计自己的节点度N_i.D＝{N_i|N_i∈V_usual,d(N_i,N_j)≤N_i(R)}，

其中V_usual为所有非邻域节点的集合，d(N_i,N_j)为节点N_i与N_j之间的距离；

第2.3、非邻域节点根据公式计算出自己的定时时间，其中，α+β+γ＝1，为各参数的权重调节系数，δ为一个调节系数，设为(0.9，1)之间的一个随机数，T_CH0为设定的最大竞争时间，E₀为节点的初始能量，E_R(N_i)为节点当前的剩余能量，N_i.D为节点的节点度，N_i(R)为节点的竞争半径；

第2.4、为了节省成簇时各种广播交换信息的能量消耗，只在初始准备阶段，所有节点广播一次消息，在以后的簇重构周期中，都采用定时机制，每个节点根据第2.3步的公式计算出自己的定时时间，若在定时时间内没有收到其他节点的广播消息，则确定自己为簇头，确定的簇头节点在自己的竞争半径内广播成为簇头的消息；若在定时时间内收到其他节点的广播消息，就自动退出簇头竞争进入等待状态，到达最大竞争时间后，进入等待的节点，根据收到的簇头广播消息，选择相应的簇加入；在网络分簇阶段终止时，每个存活的节点都会成为簇头节点或簇的成员节点；

第3、簇间路由确定：每个上级簇头节点在自己的下级簇头信息表中计算选出自己的下一跳簇头节点，邻域节点都作为独立的簇头节点对待；

第3.1、簇间路由建立由远端节点发起，所有簇头节点进行消息广播，广播半径选择为自身竞争半径的3倍，寻找下级簇头信息，各簇头节点根据收到的消息，当簇头传来的基站距离大于等于自身与基站的距离时，为上级簇头，不予处理，反之，为下级簇头信息，在每个簇头节点建立下级簇头信息表；

第3.2、簇头CH_i通过如下函数式选择函数值最大的簇头CH_j作为下一跳节点，选择下一跳的函数式为其中，E_R(CH_j)为簇头CH_j的剩余能量，为下级簇头的平均剩余能量，d_select为两簇头之间的距离的差值，CH_j.D为簇头CH_j的成员节点度；

第3.3、邻域中的节点不分簇，在此阶段都当作独立的簇头处理，当邻域节点在收到簇头的广播消息后，被唤醒，并将自身的信息反馈给簇头，簇头根据邻域节点发来的信息计算选择函数，确定下一跳邻域节点；这样通过每级选择，网络路由建立起来。