CN105517093A - 一种无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法，综合考虑节点的剩余能量、路由距离的算法，属于无线传感器网络能量均衡路由算法领域，该方法基于柯西不等式，推导出了单跳距离和路径耗能的关系以及路由总距离和网络耗能的关系。并借此提出本方法的核心—中继选择参数，同时加上跳数控制，实现了能量均衡路由。仿真实验表明，该算法能量均衡性很好，并且整体网络寿命优于传统方法。

Description

一种无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络中多节点静态分布结构中，多跳传输状态下兼顾传输路径能耗和网络能量分布均衡性的路由方法，属于无线传感器网络MAC层技术。

背景技术

无线传感器网络是近年来信息技术领域的一个研究热点，它融合了传感器、计算机科学、信号与信息处理、通信等多个领域的技术。无线传感器网络的一个重要特征是能量受限性。在大多数情况下，节点通过电池获得有限的能量储备，无线传感器网络分布的特点使得不可能对节点进行频繁重新充电，传感器节点的生存时间受到限制。如果网络中节点因为能量耗尽不能工作，则会带来网络拓扑的改变以及路由的重新建立等问题，甚至使得网络分成不连通的部分，造成通信中断。

路由协议是所有网络中最重要的技术之一，无线传感器网络也不例外。而寻找有效的节能路由方案以提高网络的寿命、实现节点之间的能耗均衡是无线传感器网络研究中的一个核心问题。目前，路由算法一直受到很多关注，研究人员不再仅仅侧重“最短路径”、“最优路径”或者“差错率最低路径”等的设计，而是往往结合能量均衡特性，兼顾多方面性能，综合提高网络质量。经典的路由算法有泛洪、定向扩散、蚁群算法、遗传算法、LEACH算法等等。现在很多研究者研究的节能技术都是类似最节能路径，最少耗能路径等等。在多节点大面积部署的复杂网络中，当某些节能路径频繁使用时，就会形成“热点区域”，导致某些节点过早死亡，最终影响总体的网络寿命。这就很有必要设计能量均衡的路由算法。显然，若网络中的节点能做到能量均衡——即能耗相近，差不多同时停止工作，那么整个网络的拓扑结构就不会发生很大的变化，总体能量利用率大，网络工作时间长，故能量均衡路由算法的研究和应用非常有意义。

发明内容

为了克服现有的无线传感器网络的节能路由方法的耗能较大、均衡性较差的不足，本发明提供一种耗能较小、均衡性良好的无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法，包括如下步骤：

1).定义一个中继选择函数

${\mathrm{\γ}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{cc}R\left(i+1\right).E-\frac{\left|d\left(i,i+1\right)-d\left(i-1,i\right)\right|}{\sqrt{rd}},& i=1,2,\mathrm{...}\\ R\left(i+1\right).E,& i=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中R(i).E表示下一跳中继的剩余能量，单位毫瓦小时(mWh)；d(i,j)表示中继i到中继j的距离，单位米(m)；rd表示循环的次数，即总的发送数据的次数；

目标是找到下一跳候选中继待选节点中γ最大的节点，作为最优的中继选择；

2).节点的初始通信范围为x；当运行一段时间后，随着部分节点的死亡，节点间距会增大；当通信范围为x不能找到合适路由时，通信距离加10m，即变成x+10；

设置的传感器节点最大通信距离为x^max；设定通信半径的上限为x^max；跳数i最大为N，过多的中继跳转会增加中断概率；当通信半径超过x^max，或者有超过百分比门限L∈[0,1]的节点都能量耗尽时，就定义为网络死亡，结束路由传输；

3).柯西不等式的一般形式为：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{a}_i^2{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{b}_i^2\≥{\left\{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{a}_i{b}_i\right\}}^2---\left(2\right)$

而无线传感器的发送能耗与发送距离的关系为：

E＝Kdⁿ(3)

其中E表示能耗，K是常系数；在接下来的计算中我们令K＝1；d表示两个传感器节点之间的距离；n是幂指数；

在a+b＝m的条件下，m是常数，求a²+b²最小值；根据基本不等式：

a²+b²≥2ab(4)当a＝b＝m/2时，取得最小值；

从源节点到目的节点的路由必然是多跳的；a_i表示第i个节点到下一跳的距离，求的最小值；

根据公式(2)的柯西不等式，得：

$(a_1^2+a_2^2+a_3^2+...+a_n^2)\≥\frac{1}{n}{(a_1+a_2+...+a_n)}^2=\frac{c^2}{n}---\left(5\right)$

其中a₁+a₂+…+a_n＝c(c为常数)，当且仅当时取得最小值；

控制每一跳的距离，使每一跳的距离尽量接近，以降低总的能量消耗；此时，再假设每一跳的距离都一样；然后通过总跳数，即每条路径的总长度的选择，做到能量控制；

4).源节点需要在传输数据之前检测其到最终的汇聚节点之间整条路径的可用性，即最先检测网络传输的基本可用性，在网络可用节点超过给定门限，以及节点传输距离范围内有可用节点可以中转数据后，源节点再开始发送数据，以免数据传输至中途没有路由可用，导致前期不必要的能量浪费；

5).在无线传感网中，源节点首先选定一个初始传输距离x，向汇聚节点的方向逐一检测下次中继节点的剩余能量，选择其中剩余能量最大节点作为下一跳的中继节点；在选择第二条节点时，以上一跳的距离作为基准，依据本专利提出的目标函数，结合节点剩余能量和传输距离选取下一个节点；

6).节点在选择中继节点前，先发送探测帧，对待选节点的能量和位置进行掌握，源节点必须通过探测帧发现到汇聚节点的全部路由节点可用后，才发出要传输的数据；

7).如果在选定的初始距离x中没有可用节点，就将该距离逐渐增大，直至到达距离门限x^max，停止寻找，路由结束，若发现超过百分比门限L∈[0,1]的节点都不能工作时，路由结束，网络不可用。

本发明的技术构思为：结合网络均衡，兼顾路径总耗能提出，以此延长网络寿命，提升网络质量为目的。针对一个无线传感器节点位置随机分布、能量也随机分布的环境下，在网络中随机选取几个源节点进行发送，汇聚节点位置固定。信号经过多跳链路最后到达汇聚节点，并按所提方法选择中继节点完成转发。算法兼顾单次路径的节能性和网络总体能耗的均衡性，即每次的中继选择都是动态完成。在中继节点能量相似的情况下，优先选择距离均等的节点以降低路径总能耗。但为了不让网络中的中间节点过多的参与转发，算法考虑节点的剩余能量情况，优先选择剩余能量多的节点以兼顾网络均衡性。

本发明的有益效果为：从柯西不等式出发，推导了能耗和距离的关系，得出了总路径最小耗能的条件，并且结合剩余节点的能量，即实现了网络能量消耗的均衡性。

在路由总距离固定的前提下，当源、宿节点以及中间的中继节点的间距都相等时，整条路径的能量消耗最少。在现实中无线传感器网络节点的分布不可能都是线性分布在同一直线上。路由路径可以是折线，也可以是曲线，总的路由长度也随着路径不同而不同；而且各节点间的距离也不是相等的。但是每一跳的距离我们可以控制，以使每一跳的距离接近，从而整条路径的能量消耗。

每条路径的总距离相同时，整个网络的耗能可以实现最小，网络寿命得以延长；当选择剩余能量最大的节点作为下一跳的中继时，又可以实现能量均衡。

附图说明：

图1是中继选择模型的示意图。

图2是无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1和图2，一种无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法，包括如下步骤：

1).定义一个中继选择函数

${\mathrm{\γ}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{cc}R\left(i+1\right).E-\frac{\left|d\left(i,i+1\right)-d\left(i-1,i\right)\right|}{\sqrt{rd}},& i=1,2,\mathrm{...}\\ R\left(i+1\right).E,& i=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中R(i).E表示下一跳中继的剩余能量，单位毫瓦小时(mWh)；d(i,j)表示中继i到中继j的距离，单位米(m)；rd表示循环的次数，即总的发送数据的次数。

我们的目标是找到下一跳候选中继待选节点中γ最大的节点，作为最优的中继选择。通过公式可以看到，节点的剩余能量越大，则γ越大，但是又不仅仅是由剩余能量决定。下一跳的距离与上一跳越接近，γ也越大。引入参数rd是因为随着传输次数增加，网络能量趋于均衡，适当降低距离所占的权重，选择路由以考虑能量均衡性为主。

2).算法流程图如图2所示，节点的初始通信范围为x。当运行一段时间后，随着部分节点的死亡，节点间距会增大。当通信范围为x不能找到合适路由时，通信距离加10m，即变成x+10。本专利中设置的传感器节点最大通信距离为x^max。关于这个最大通信距离的设置，可参考无线传感器节点通信距离与发射功率与误码率的研究。一般工业、农业中，无线传感器的发射距离为40-100m。当距离太大，不仅发射功率会急剧增加，误码率也会急剧增加。结合本专利中传感器节点的分布，设定通信半径的上限为x^max。跳数i最大为N，过多的中继跳转会增加中断概率。当通信半径超过x^max，或者有超过百分比门限L∈[0,1]的节点都能量耗尽时，就定义为网络死亡，结束路由传输。

3).柯西不等式是数学家柯西在18世纪提出的，不等式的一般形式为：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{a}_i^2{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{b}_i^2\≥{\left\{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{a}_i{b}_i\right\}}^2---\left(2\right)$

而无线传感器的发送能耗与发送距离的关系为：

E＝Kdⁿ(3)

其中E表示能耗，K是常系数。在接下来的计算中我们令K＝1；d表示两个传感器节点之间的距离；n是幂指数，取值2-4，在此我们取常用值2。

对图1中两种模型进行分析，假设节点n1要传输数据给节点n2，n1和n2距离100m。它有如图1所示两种中继选择方式：relay1和relay2。图1(a)模型中，中继刚好在源节点和目的节点的正中间，两跳的距离都是50m；图1(b)模型中，两跳的距离分别是70m和30m。根据公式(2)，我们可以算出每种模型的耗能，显然，如果只考虑单跳，图1(a)中模型耗能更少为最优选择方案。

这里的数学模型是，在a+b＝m(m是常数)的条件下，求a²+b²最小值。根据基本不等式：

a²+b²≥2ab(4)

当a＝b＝m/2时，取得最小值。即图1(a)代表的模型。

在现实的无线传感器网络中，从源节点到目的节点的路由必然是多跳的。a_i表示第i个节点到下一跳的距离，求的最小值。

根据公式(1)的柯西不等式，我们易得：

$(a_1^2+a_2^2+a_3^2+...+a_n^2)\≥\frac{1}{n}{(a_1+a_2+...+a_n)}^2=\frac{c^2}{n}---\left(5\right)$

其中a₁+a₂+…+a_n＝c(c为常数)，当且仅当时取得最小值。即在路由总距离固定的前提下，当源、宿节点以及中间的中继节点的间距都相等时，整条路径的能量消耗最少。在现实中无线传感器网络节点的分布不可能都是线性分布在同一直线上。路由路径可以是折线，也可以是曲线，总的路由长度也随着路径不同而改变，且各节点间的距离不相等的。但是，我们可以控制每一跳的距离，使每一跳的距离尽量接近，以降低总的能量消耗。此时，我们再假设每一跳的距离都一样。然后通过总跳数，即每条路径的总长度的选择，也可以做到能量控制。

4).源节点需要在传输数据之前检测其到最终的汇聚节点之间整条路径的可用性，即最先检测网络传输的基本可用性。在网络可用节点超过给定门限，以及节点传输距离范围内有可用节点可以中转数据后，源节点再开始发送数据，以免数据传输至中途没有路由可用，导致前期不必要的能量浪费。

5).在无线传感网中，源节点首先选定一个初始传输距离x，向汇聚节点的方向逐一检测下次中继节点的剩余能量，选择其中剩余能量最大节点作为下一跳的中继节点。在选择第二条节点时，以上一跳的距离作为基准，依据本专利提出的目标函数，结合节点剩余能量和传输距离选取下一个节点。

6).节点在选择中继节点前，先发送探测帧，对待选节点的能量和位置进行掌握。源节点必须通过探测帧发现到汇聚节点的全部路由节点可用后，才发出要传输的数据。

7).如果在选定的初始距离x中没有可用节点，就将该距离逐渐增大，直至到达距离门限x^max，停止寻找，路由结束。若发现超过百分比门限L∈[0,1]的节点都不能工作时，路由结束，网络不可用。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络中基于网络均衡性的节能路由方法，其特征在于：包括如下步骤：

1).定义一个中继选择函数

${\mathrm{\γ}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{cc}R(i+1).E-\frac{|d(i,i+1)-d(i-1,i)|}{\sqrt{rd}},& i=1,2,...\\ R(i+1).E,& i=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中R(i).E表示下一跳中继的剩余能量，单位毫瓦小时(mWh)；d(i,j)表示中继i到中继j的距离，单位米(m)；rd表示循环的次数，即总的发送数据的次数；

目标是找到下一跳候选中继待选节点中γ最大的节点，作为最优的中继选择；

2).节点的初始通信范围为x；当运行一段时间后，随着部分节点的死亡，节点间距会增大；当通信范围为x不能找到合适路由时，通信距离加10m，即变成x+10；

设置的传感器节点最大通信距离为x^max；设定通信半径的上限为x^max；跳数i最大为N，过多的中继跳转会增加中断概率；当通信半径超过x^max，或者有超过百分比门限L∈[0,1]的节点都能量耗尽时，就定义为网络死亡，结束路由传输；

3).柯西不等式的一般形式为：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{a}_i^2{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{b}_i^2\≥{\left\{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{a}_i{b}_i\right\}}^2---\left(2\right)$

而无线传感器的发送能耗与发送距离的关系为：

E＝Kdⁿ(3)

其中E表示能耗，K是常系数；在接下来的计算中我们令K＝1；d表示两个传感器节点之间的距离；n是幂指数；

在a+b＝m的条件下，m是常数，求a²+b²最小值；根据基本不等式：

a²+b²≥2ab(4)

当a＝b＝m/2时，取得最小值；

从源节点到目的节点的路由必然是多跳的；a_i表示第i个节点到下一跳的距离，求的最小值；

根据公式(2)的柯西不等式，得：

$(a_1^2+a_2^2+a_3^2+...+a_n^2)\≥\frac{1}{n}{(a_1+a_2+...+a_n)}^2=\frac{c^2}{n}---\left(5\right)$

其中a₁+a₂+…+a_n＝c，c为常数，当且仅当时取得最小值；

控制每一跳的距离，使每一跳的距离尽量接近，以降低总的能量消耗；此时，再假设每一跳的距离都一样；然后通过总跳数，即每条路径的总长度的选择，做到能量控制；

4).源节点需要在传输数据之前检测其到最终的汇聚节点之间整条路径的可用性，即最先检测网络传输的基本可用性，在网络可用节点超过给定门限，以及节点传输距离范围内有可用节点可以中转数据后，源节点再开始发送数据，以免数据传输至中途没有路由可用，导致前期不必要的能量浪费；

5).在无线传感网中，源节点首先选定一个初始传输距离x，向汇聚节点的方向逐一检测下次中继节点的剩余能量，选择其中剩余能量最大节点作为下一跳的中继节点；在选择第二条节点时，以上一跳的距离作为基准，依据本专利提出的目标函数，结合节点剩余能量和传输距离选取下一个节点；

6).节点在选择中继节点前，先发送探测帧，对待选节点的能量和位置进行掌握，源节点必须通过探测帧发现到汇聚节点的全部路由节点可用后，才发出要传输的数据；

7).如果在选定的初始距离x中没有可用节点，就将该距离逐渐增大，直至到达距离门限x^max，停止寻找，路由结束，若发现超过百分比门限L∈[0,1]的节点都不能工作时，路由结束，网络不可用。