CN105657778A - 一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，包括高级节点和普通节点，根据网络每一轮的能量消耗计算出最佳簇头个数，再根据普通节点和高级节点功率的比值及最佳簇头个数计算出功率异构网络影响因子，进而通过功率异构网络影响因子计算出高级节点和普通节点当选最佳簇头的概率。本发明可以使网络每一轮能量消耗最少并且使高级节点和普通节点能量消耗均匀，从而延长网络稳定期并且提高网络吞吐率。

Description

一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法。
背景技术
随着物联网的日益兴起，无线传感器网络广泛应用于军事、环境监测、智能家居、城市交通、空间探索和仓库管理等领域。无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，涉及多个学科，有许多关键技术有待发现和研究，其中网络拓扑控制具有特别意义，通过拓扑控制自动形成的良好的网络拓扑结构，能够大幅提高路由协议和MAC协议的效率。层次型的拓扑结构具有很多优点，例如，由簇头节点担负数据融合的任务，减少了数据通信量；分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络；由于大部分节点在相当长的时间内关闭通信模块，所以显著地延长整个网络的生存时间。好的路由协议能够大幅提高无线传感器网络的性能。
LEACH算法是同构无线传感器网络中一种经典的层次性分簇路由算法，它的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合、与汇聚节点通信等工作，所以能量消耗大。LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量。
随着研究的深入以及传感器网络应用范围不断的扩大，传统的无线传感器网络逐渐不能满足实际应用的要求，引入异构节点的异构无线传感器网络在实际中应用得越来越多，其中功率异构是一种比较常见的异构类型。节点的功率异构主要表现在以下两个方面。第一，节点通信模块因为采用不同的信号调制等物理层技术或者不同芯片设计工艺等，导致在发送同等距离和速率信号时，通信模块消耗的功率不同。第二，同一通信模块可能有几种模式，不同的模式发射距离和速率不相同，通信模块消耗的功率也不同。
考虑到功率异构网络中存在两种功率不同的节点，LEACH算法中所规定的相同概率的簇头选举方式不能保证两种节点能量消耗速率一致，从而使得高级节点即使功率较大却仍然需要承担相同的簇头任务进行数据搜集和远距离发送。显而易见，这种选举方式将使得高级节点先于普通节点死亡，从而降低网络稳定期。所以，LEACH算法的选举机制并不适用于功率异构网络。
因此，需要一种新的分簇路由方法来应对功率异构无线传感器网络带来的变化。
发明内容
本发明旨在提供一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，以延长网络稳定期并且提高网络吞吐率。
本发明提供了一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，包括异构节点、基站节点以及所述异构节点所在的网络区域，所述异构节点包括普通节点和高级节点，所述普通节点和高级节点与基站节点之间的通信过程按轮次周期性地依次进行，所述普通节点和高级节点在每个所述轮次先进行簇头选举，还包括根据所述网络区域中每一轮的能量消耗计算出最佳簇头个数，再根据所述普通节点和高级节点功率的比值及所述最佳簇头个数计算出各自当选最佳簇头的概率。
进一步地，所述最佳簇头个数的计算过程包括：S11.分别计算每一轮中普通节点和高级节点充当簇头节点或非簇头节点的能量消耗，将所述能量消耗相加得到每一轮网络能量总消耗；S12.对每一轮网络能量总消耗求导，计算出最佳簇头个数kopt。
进一步地，所述普通节点和高级节点各自当选最佳簇头概率的计算过程包括：S21.通过所述最佳簇头个数kopt可以求出最佳簇头概率popt，popt＝kopt/n，其中n是网络中节点个数；S22.所述普通节点当选簇头的概率为pnrm，其中β为功率异构网络的影响因子，m为高级节点占所有节点的比例；S23.所述高级节点当选簇头的概率为padv，
进一步地，所述功率异构网络的影响因子β可以通过所述最佳簇头个数kopt求得，其中h是所述高级节点比所述普通节点功率高的倍数。
进一步地，所述高级节点的功率比普通节点的功率高。
进一步地，所述普通节点和所述高级节点功率可以相同。
进一步地，所述普通节点和所述高级节点具有相同的网络稳定期。
进一步地，所述簇头节点与非簇头节点以时分复用的通信方式进行通信并传递数据。
进一步地，所述簇头节点与基站节点以频分复用的通信方式进行通信并传递数据。
通过本发明的方法，延长网络稳定期并且提高网络吞吐率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了本发明网络中异构节点当选簇头的概率的计算流程图。
图2示出了LEACH算法和本发明方法的网络稳定期随网络运行轮次变化曲线。
图3示出了LEACH算法和本发明方法的网络吞吐率随网络运行轮次变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，包括异构节点、基站节点以及所述异构节点所在的网络区域，所述异构节点包括普通节点和高级节点，所述普通节点和高级节点与基站节点之间的通信过程按轮次周期性地依次进行，所述普通节点和高级节点在每个所述轮次先进行簇头选举，还包括根据所述网络区域中每一轮的能量消耗计算出最佳簇头个数，再根据所述普通节点和高级节点功率的比值及所述最佳簇头个数计算出各自当选最佳簇头的概率。
作为优选方案，所述最佳簇头个数的计算过程包括：S11.分别计算每一轮中普通节点和高级节点充当簇头节点或非簇头节点的能量消耗，将所述能量消耗相加得到每一轮网络能量总消耗；S12.对每一轮网络能量总消耗求导，计算出最佳簇头个数kopt。
作为优选方案，所述普通节点和高级节点各自当选最佳簇头概率的计算过程包括：S21.通过所述最佳簇头个数kopt可以求出最佳簇头概率popt，popt＝kopt/n，其中n是网络中节点个数；S22.所述普通节点当选簇头的概率为pnrm，其中β为功率异构网络的影响因子，m为高级节点占所有节点的比例；S23.所述高级节点当选簇头的概率为padv，
作为优选方案，所述功率异构网络的影响因子β可以通过所述最佳簇头个数kopt求得，其中h是所述高级节点比所述普通节点功率高的倍数。
作为优选方案，所述高级节点的功率比普通节点的功率高。
作为优选方案，所述普通节点和所述高级节点功率可以相同。
作为优选方案，所述普通节点和所述高级节点具有相同的网络稳定期。
作为优选方案，所述簇头节点与非簇头节点以时分复用的通信方式进行通信并传递数据。
作为优选方案，所述簇头节点与基站节点以频分复用的通信方式进行通信并传递数据。
图1示出本发明网络中异构节点当选簇头的概率的计算流程图。与原LEACH算法相比，本发明网络中有两种功率不同的异构节点从而导致在每一轮中的能量消耗速度不相等，必然导致能量消耗速度快的节点先死亡，因此要使异构节点具有相同的能量消耗速率，异构节点应有不同的当选簇头的概率。首先初始化变量，并假定功率异构网络的影响因子为β，并将pnrm及padv用β表示。然后通过网络区域中每一轮的能量消耗计算出最佳簇头个数。最后通过最佳簇头个数求出影响因子β，所述功率异构网络的影响因子β可以通过所述最佳簇头个数kopt求得，进而求出异构节点当选簇头的概率pnrm及padv。
本发明采用matlab对LEACH算法和本发明方法进行实施。网络中部署有100个节点，节点随机分布在100×100的矩形区域，网络中有唯一的基站，位于网络区域外，位置为50×175。每个节点拥有唯一的标识符。节点随机部署，但一经部署就位置确定，且不可移动。节点死亡的唯一原因是能量耗尽，不存在其它原因。节点配置相同的硬件，存储、计算、通信能力相同。节点都拥有数据融合能力，并且都能与基站节点通信。基站节点能量无穷大(相对于区域内节点)。节点部署后不需要维护。节点拥有的初始能量相同。无线电信号在空间各个方向上消耗能量相同，并且信道对称。
图2中反映了m＝0.2，h＝2情况下LEACH算法和本发明方法的网络稳定期随网络运行轮次的变化曲线。从图中可以看出本发明方法的网络稳定期比LEACH算法的网络稳定期提高了约102％。
图3中反映了m＝0.2，h＝2情况下LEACH算法和本发明方法的网络吞吐率随网络运行轮次的变化曲线。从图中可以看出本发明方法的网络吞吐率在整个网络生命周期里都比LEACH算法的网络吞吐率高。

Claims (9)

1.一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，包括异构节点、基站节点以及所述普通节点和高级节点所在的网络区域，所述异构节点包括普通节点和高级节点，所述普通节点和高级节点与基站节点之间的通信过程按轮次周期性地依次进行，所述普通节点和高级节点在每个所述轮次先进行簇头选举，其特征在于：根据所述网络区域中每一轮的能量消耗计算出最佳簇头个数，再根据所述普通节点和高级节点功率的比值及所述最佳簇头个数计算出各自当选最佳簇头的概率。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述最佳簇头个数的计算过程包括：
S11.分别计算每一轮中普通节点和高级节点充当簇头节点或非簇头节点的能量消耗，将所述能量消耗相加得到每一轮网络能量总消耗；
S12.对每一轮网络能量总消耗求导，计算出最佳簇头个数kopt。
3.根据权利要求2所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述普通节点和高级节点各自当选最佳簇头概率的计算过程包括：
S21.通过所述最佳簇头个数kopt求出最佳簇头概率popt，popt＝kopt/n，其中n是网络中节点个数；
S22.所述普通节点当选簇头的概率为pnrm，其中β为功率异构网络的影响因子，m为高级节点占所有节点的比例；
S23.所述高级节点当选簇头的概率为padv，
4.根据权利要求2所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述功率异构网络的影响因子β可以通过所述最佳簇头个数kopt求得，其中h是所述高级节点比所述普通节点功率高的倍数。
5.根据权利要求1所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述高级节点的功率比普通节点的功率高。
6.根据权利要求1所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述普通节点和所述高级节点功率可以相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述普通节点和所述高级节点具有相同的网络稳定期。
8.根据权利要求2所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述簇头节点与非簇头节点以时分复用的通信方式进行通信并传递数据。
9.根据权利要求2所述的一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，其特征在于：所述簇头节点与基站节点以频分复用的通信方式进行通信并传递数据。
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