CN105959989A - 一种基于分簇的无线传感器网络gpsr路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体说，涉及一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议，其特征在于，包括：步骤1，对所有传感器网络节点进行分簇处理，并选择剩余能量最多的节点作为簇头节点；步骤2，建立数据传送路由，以所述簇头节点作为转发节点进行数据转发。本发明通过对网络进行分簇处理，并在采用贪婪算法的时候，根据所掌握的剩余能量信息和链路信息，选择簇内节点剩余能量最多的节点为簇头，簇内采用轮换制来更换簇头，减少了盲目绕行带来的路径跳数增加，避免了局部最小化问题，延长了网络生存时间。

Description

一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体说，涉及一种基于分簇的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)GPSR(greedy perimeter stateless routing)路由协议。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)是由微小的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。该网络拓扑结构灵活，可以跟互联网进行有线或无线方式连接。WSNs广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。由于WSNs节点本身电池能量有限，在恶劣环境下，电池不易更换，当电池能量耗尽是，节点就会死亡，当网络中死亡节点过多就会导致网络瘫痪，因此控制节点能量损耗成为延长网络的生存周期主要难题。

随着定位技术的发展，节点可以方便地获得自己的地理位置信息，地理位置路由就是以这些位置信息作为路由选择的依据，并按照一定的转发策略把数据发送到目的节点。

GPSR协议就是利用地理位置信息来建立路由的路由协议。GPSR首先使用贪婪转发算法建立路由，利用节点本地感知的拓扑信息选择下一跳节点，如果分组数据被转发到了贪婪算法不可用的区域(即空洞区域)，GPSR算法将采用周边遍历算法进行空洞绕行，在边界上使用右手法则选择下一跳节点。

虽然此协议避免了在节点中建立、维护、存储路由表，只依赖直接邻节点进行路由选择，几乎是一个无状态的协议；且使用接近于最短欧氏距离的路由,数据传输时延小；并能保证只要网络连通性不被破坏，一定能够发现可达路由。但缺点是，当网络中sink点和源节点分别集中在两个区域时，由于通信量不平衡易导致部分节点失效，从而破坏网络连通性，严重影响WSNs生存时间。同时，一般的GPSR协议在使用贪婪转发和周边边界转发进行建立路由时，存在一定的盲目性，会增加网络时延，增加节点能量的损耗，从而降低无线传感器网络生存周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议，以解决上述问题。

本发明的实施例提供了一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议，包括：

步骤1，对所有传感器网络节点进行分簇处理，并选择剩余能量最多的节点作为簇头节点；

步骤2，建立数据传送路由，以该簇头节点作为转发节点进行数据转发。

进一步，步骤1中，节点被选中为簇头的概率T(n)公式表示为：

$T{\left(n\right)}_{new}=\frac{p}{1-p*\[r\mathrm{mod}\left(\frac{1}{p}\right)\]}\frac{E_{n\_current}}{E_n},n=\left(G\right);$

式中P为簇头占所有节点的百分比，即节点当选簇头的概率；r为目前循环进行的轮数；G为最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合；E_{n_current}为节点的当前能量；E_n为节点的初始能量。

进一步，步骤2具体包括：

1)源节点S首先选择其通信半径内与簇头节点距离最近的一跳邻节点A，若节点A是簇头节点，则路由过程结束，簇头节点直接将数据包发送至下一个簇的簇头；

2)若节点A不是簇头节点，源节点S选择覆盖半径内与簇头节点距离最近的节点A’传输数据；

3)节点A’同样选择其通信覆盖半径范围内与簇头节点距离最近的节点传输数据；

4)重复步骤2)、3)，直到数据传送至簇头节点；

5)重复步骤2)、3)、4)，直到数据传送至目的节点D。

与现有技术相比本发明的有益效果是：通过对网络进行分簇处理，并在采用贪婪算法的时候，根据所掌握的剩余能量信息和链路信息，选择簇内节点剩余能量最多的节点为簇头，簇内采用轮换制来更换簇头，减少了盲目绕行带来的路径跳数增加，避免了局部最小化问题，延长了网络生存时间。

附图说明

图1是本发明一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议的工作流程图；

图2是无线传感器网络结构图；

图3是无线传感器网络通信原理图；

图4是本发明一种基于分簇的无线自组织网络路由协议一实施例的工作流程图；

图5是使用本发明方法和基本路由协议GPSR的仿真性能比较图；其中：5(a)为网络生存节点数对比曲线，5(b)为网络节点能量消耗对比曲线，5(c)为转发成功的数据包数对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图5所示，图1是本发明一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议的工作流程图；图2是无线传感器网络结构图；图3是无线传感器网络通信原理图；图4是本发明一种基于分簇的无线自组织网络路由协议一实施例的工作流程图；图5是使用本发明方法和基本路由协议GPSR的仿真性能比较图。

无线自组织网络由若干个无线传感器节点构成，而传感器节点又由传感器单元，数据处理单元，无线通信单元和电源组成，如图2所示。如图3所示，首先节点接收到信号，并进行调制(A/D转换、编码)再传输到通信模块，网络层将数据前加上首部组成IP数据报传送给数据链路层，数据链路层将数据加上首部和尾部封装成帧传送到物理层。其中通信模块MAC层对本地节点剩余能量和状态信息、及其与邻居节点之间的链路信息、剩余能量信息进行获取，经过处理后的数据通过回调方式送到路由层，使得贪婪模式下的簇头选择更加贴近网络实际情况。当节点接收到帧，对其进行解封，获取节点位置信息，进行判断并作下一步处理。

如图1及图4所示，本实施例提供了一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议，包括：

步骤S1，对所有传感器网络节点进行分簇处理，并选择剩余能量最多的节点作为簇头节点；

步骤S2，建立数据传送路由，以该簇头节点作为转发节点进行数据转发。

本实施例中，节点通过无线传感器网络进行通信，利用GPS定位设备获取位置信息，通信模块中MAC层获取本地节点剩余能量和状态信息、其与邻居节点之间的链路信息、剩余能量信息以及需要传送的数据，经处理再通过回调方式送到网络层，网络层利用GPSR协议建立路由，首先在采用贪婪算法的时候，根据所掌握的剩余能量信息和链路信息，选择簇内采用轮换制选择剩余能量最多的节点为簇头，转发簇头将数据转发至目的节点所在簇内的簇头。

本实施例提供的gprs路由协议，在使用贪婪算法前，首先对网络进行分簇处理，在采用贪婪算法的时候，根据所掌握的剩余能量信息和链路信息，选择簇内节点剩余能量最多的节点为簇头，簇内采用轮换制来更换簇头，减少盲目绕行带来的路径跳数增加，避免了局部最小化问题，延长了网络生存时间。

本实施例的路由算法从功能上可以分为两个部分：1)在MAC层对本地节点剩余能量和状态信息、及其与邻居节点之间的链路信息、剩余能量信息进行获取，经过处理后的数据通过回调方式送到路由层，使得贪婪模式下的簇头选择更加贴近网络实际情况。2)在采用贪婪算法的时候，根据所掌握的剩余能量信息和链路信息，选择簇内节点剩余能量最多的节点为簇头，簇内采用轮换制来更换簇头，减少盲目绕行带来的路径跳数增加，延长了网络生存时间。

本实施例考虑节点剩余能量、节点间距离等因素，将传感器网络进行分簇处理，网络被分为若干个簇，然后再对各个簇进行簇头选择。

在本实施例中，节点被选中为簇头的概率T(n)公式表示为：

$T{\left(n\right)}_{new}=\frac{p}{1-p*\[r\mathrm{mod}\left(\frac{1}{p}\right)\]}\frac{E_{n\_current}}{E_n},n=\left(G\right);$

式中P为簇头占所有节点的百分比，即节点当选簇头的概率；r为目前循环进行的轮数；G为最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合；E_{n_current}为节点的当前能量；E_n为节点的初始能量，

本实施例通过改进改进贪婪算法建立路由，包括如下步骤：

1)源节点S首先选择其通信半径内与簇头节点距离最近的一跳邻节点A，若节点A是簇头节点，则路由过程结束，簇头节点直接将数据包发送至下一个簇的簇头；

2)若节点A不是簇头节点，源节点S选择覆盖半径内与簇头节点距离最近的节点A’传输数据；

3)节点A’同样选择其通信覆盖半径范围内与簇头节点距离最近的节点传输数据；

4)重复步骤2)、3)，直到数据传送至簇头节点；

5)重复步骤2)、3)、4)，直到数据传送至目的节点D。

改进贪婪算法建立路由，以剩余能量较多的簇头节点为转发节点，减少盲目绕行带来的路径跳数增加，避免了局部最小化问题，在一定程度上解决了路由空洞问题，大大简化了GPSR算法的复杂度，也减少了网络时延。

下面利用Matlab进行仿真验证，将改进后的GPSR与基础的GPSR算法进行比较。

在100*100m2的正方形区域内，随机分布100个传感器节点，这些节点初始能量相同且为0.5J。如图5(a)所示，由于GPSR协议存在局部最小化问题，当局部最小化问题突出时，节点能量损耗严重，导致节点失效，网络生存下的节点数越来越少。而本发明算法采用分簇算法避免了局部最小化问题，因此节约了节点能量，延长了节点生存时间，使得生存的节点数增加。如图5(b)所示，GPSR协议存在局部最小化问题，当局部最小化问题不突出时，节点之间的数据传递不会有太多影响，不会出现大量的能量损失。但当出现局部最小化问题时，能量损耗速度快，节点消失较多。而本发明算法不存在局部最小化问题，因此能较好节省节点能量，延长节点生存时间，即延长网络的周期。如图5(c)所示，GPSR协议数据传输成功率低，本发明算法不存在局部最小化问题，在簇形成以后，就不必再消耗能量分簇。因此网络节点能量稳定，均衡消耗，数据传输率高。综上所述，本发明提出的基于分簇的GPSR路由协议，路由是基于每个邻节点与簇头节点距离的比较而建立，因此不存在局部最小化问题，大大减少了算法的复杂度。

本发明通过对节点进行分簇处理，将所有节点进行分簇处理，选择剩余能量多的节点作为簇头进行转发数据，保证通信链路不中断(传感器网络节点剩余能量不均衡，导致网络通信链路的中断)，从而延长网络的生存周期；通过改进贪婪算法建立数据传送路由，以剩余能量较多的簇头节点为转发节点，从而在一定程度上解决了路由空洞问题，大大简化了GPSR算法的复杂度，也减少了网络时延。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议，其特征在于，包括：

步骤1，对所有传感器网络节点进行分簇处理，并选择剩余能量最多的节点作为簇头节点；

步骤2，建立数据传送路由，以所述簇头节点作为转发节点进行数据转发。

2.根据权利要求1所述的一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议，其特征在于，所述步骤1中，节点被选中为簇头的概率T(n)公式表示为：

$T{\left(n\right)}_{new}=\frac{p}{1-p*\[r\mathrm{mod}\left(\frac{1}{p}\right)\]}\frac{E_{n\_current}}{E_n},n=\left(G\right);$

式中P为簇头占所有节点的百分比，即节点当选簇头的概率；r为目前循环进行的轮数；G为最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合；E_{n_current}为节点的当前能量；E_n为节点的初始能量。

3.根据权利要求1所述的一种基于分簇的无线传感器网络GPSR路由协议，其特征在于，所述步骤2具体包括：

1)源节点S首先选择其通信半径内与簇头节点距离最近的一跳邻节点A，若节点A是簇头节点，则路由过程结束，簇头节点直接将数据包发送至下一个簇的簇头；

2)若节点A不是簇头节点，源节点S选择覆盖半径内与簇头节点距离最近的节点A’传输数据；

3)节点A’同样选择其通信覆盖半径范围内与簇头节点距离最近的节点传输数据；

4)重复步骤2)、3)，直到数据传送至簇头节点；

5)重复步骤2)、3)、4)，直到数据传送至目的节点D。