CN106161118A - 一种无线传感网中能量均衡的k‑跳分簇路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感网中能量均衡的k‑跳分簇路由方法，属于无线传感器网络领域，包括以下步骤：构建区域面积为M×M平方米并且随机散布有n个传感器节点的无线传感器网络模型；基于所述无线传感器网络模型，构建自由空间能量衰减模型；基于所述自由空间能量衰减模型，构建能量均衡跨簇路由方法EBCKCR。本发明能以较少的控制消息代价建立簇首到SINK节点的多跳通信路径，并且路径中的传感器节点具有较高的能量水平，这样能够防止数据收集过程中路径上某些能量低的传感器节点过早死亡，延长了网络生命周期。

Description

一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，特别涉及一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)是一种由传感器节点构成的网络，能够以协作的方式实时地监测、感知和采集部署区域内的各种监测对象的信息，并对这些信息进行处理，以无线方式发送给需要这些信息的观察者。无线传感器网络最基本的功能是收集网络中全部传感器节点产生的数据。
分簇是最常用的数据收集方法之一。所谓分簇，是指将网络中的所有传感器节点划分为若干不相交的子集，每个子集就形成一个簇。每个簇中有一个传感器节点(称为簇首)负责收集簇内其他传感器节点(称为簇成员)的数据，在进行完全汇聚后发送给网络中唯一的基站(也称为SINK节点)。根据簇成员距离簇首的距离(跳数)，可以将分簇分为单跳分簇和多跳分簇。其中，单跳分簇指簇成员可以通过一跳通信传送数据到簇首，而多跳分簇则是簇成员的数据需要经过若干跳其他传感器节点的中继才能到达簇首。把单跳分簇和多跳分簇统称为k-跳分簇，k≥1。分簇能有效组织传感器节点传送的数据，具有实现简单、便于管理、易于分布式实现等优点。此外，簇首将簇内成员的数据汇聚后再传送给SINK节点，能大大减少数据的通信量，从而减少传感器节点的能量消耗。因此，利用分簇来进行数据收集得到越来越多研究人员的重视。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
目前大部分已有的工作仅关注如何将网络中的传感器节点组织成簇，然后假定簇首可以通过较长的通信半径将数据传送给其他簇首或直接发送给SINK节点。然而，在实际的应用场景中，网络部署的区域较为宽广，传感器节点间的距离较远，k-跳分簇中簇首之间的距离往往大于传感器节点的通信半径，使得簇首之间不一定能直接通信。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法。所述技术方案如下：
一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，包括以下步骤，
S100构建区域面积为M×M平方米并且随机散布有n个传感器节点的无线传感器网络模型；
S200基于所述无线传感器网络模型，构建自由空间能量衰减模型；
S300基于所述自由空间能量衰减模型，构建能量均衡跨簇路由方法EBCKCR。
可选地，所述步骤S100具体为：
部署一个正方形区域，所述正方形区域的面积为M×M平方米，并且在所述正方形区域中随机散布有n个传感器节点。
确保任意两个所述传感器节点之间存在至少一条路径。
给每个所述传感器节点分配一个唯一的ID号，用vi表示，其中i＝1,2,…,n，用v0表示SINK节点，用vh表示簇首。
可选地，所述步骤S200具体为：
假设所述传感器网络模型中，传感器节点vi在每轮产生的数据量均为g bits，通信半径为r，则传感器节点vi在发送数据时耗费的能量Et(g,r)自由空间能量衰减模型为
Et(g,r)＝gEelec+gεfsr2 公式(1)
其中，Eelec表示发射电路消耗的能量，εfs表示自由空间能量衰减模型中功率放大所需的能量。
同时，每个传感器节点vi接收g bits数据需要耗费的能量为
Er(g)＝gEelec 公式(2)
可选地，所述无线传感器网络中的数据收集按轮运行。
可选地，所述轮包括三个阶段：簇生成阶段、跨簇路由建立阶段和数据传输阶段。
可选地，所述簇生成阶段具体为传感器节点被划分为若干个k-跳分簇。
可选地，所述跨簇路由建立阶段具体为簇首将寻找并建立将数据发送给SINK节点或离SINK节点更近的簇首的能量均衡的路径。
可选地，所述数据传输阶段具体为簇首将通过所述能量均衡的路径将数据传送给SINK节点。
可选地，所述步骤S300具体为：
在每个簇的边界节点vi寻找一条能量均衡的通往自己簇首的路径，用于每个簇的边界节点vi与自己簇首vh间相互传递消息的通道。
每个簇的边界节点vi通过与邻居交换信息，获知是否存在距离SINK节点更近的其他簇首，如果存在这样的其他簇首，则该簇的边界节点vi将邻居中属于各自簇的边界节点通往它们各自簇首的路径，与该簇的边界节点vi到该簇自己簇首vh的路径进行合并，形成该簇首vh通往其他簇首的完整路径。
每个簇的边界节点vi把所述的完整路径上传给所在簇的簇首vh，所在簇的簇首vh就能够获知通过哪些路径可以发送数据给离SINK节点更近的其他簇首。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
能以较少的控制消息代价建立簇首到SINK节点的多跳通信路径，而且路径中的传感器节点具有较高的能量水平，这样能防止数据收集过程中路径上某些能量低的传感器节点过早死亡，延长网络生命周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法流程图；
图2a是本发明实施例提供的平均控制消息代价仿真实验中SINK节点在区域中心时的仿真图；
图2b是本发明实施例提供的平均控制消息代价仿真实验中SINK节点在区域右上角时的仿真图；
图3a是本发明实施例提供的网络生命周期仿真实验中SINK节点在区域中心时的仿真图；
图3b是本发明实施例提供的网络生命周期仿真实验中SINK节点在区域右上角时的仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，参见图1，包括以下步骤：
S100构建区域面积为M×M平方米并且随机散布有n个传感器节点的无线传感器网络模型。
S200基于所述无线传感器网络模型，构建自由空间能量衰减模型。
S300基于所述自由空间能量衰减模型，构建能量均衡跨簇路由方法EBCKCR。
在本实施例中，所述步骤S100具体为：
部署一个正方形区域，所述正方形区域的面积为M×M平方米，并且在所述正方形区域中随机散布有n个传感器节点。
确保任意两个所述传感器节点之间存在至少一条路径。
给每个所述传感器节点分配一个唯一的ID号，用vi表示，其中i＝1,2,…,n，用v0表示SINK节点，用vh表示簇首。
具体地，传感器网络具有如下性质：
(1)传感器节点和SINK节点在部署完成后不再改变自己的位置。
(2)传感器节点的初始能量有限且可能是异构的，而SINK节点拥有充足的能量。
(3)每个传感器节点均不知道自己的地理位置，只知道自己通信半径内的邻居信息。
在本实施例中，所述步骤S200具体为：
假设所述传感器网络模型中，传感器节点vi在每轮产生的数据量均为g bits，通信半径为r，则传感器节点vi在发送数据时耗费的能量Et(g,r)自由空间能量衰减模型为
Et(g,r)＝gEelec+gεfsr2 公式(1)
其中，Eelec表示发射电路消耗的能量，εfs表示自由空间能量衰减模型中功率放大所需的能量。
同时，每个传感器节点vi接收g bits数据需要耗费的能量为
Er(g)＝gEelec 公式(2)
在本实施例中，所述无线传感器网络中的数据收集按轮运行，轮是指从网络中的传感器节点开始产生数据到SINK节点接收到全部传感器节点发送来的数据的时间间隔。
在本实施例中，所述轮包括三个阶段：簇生成阶段、跨簇路由建立阶段和数据传输阶段。
具体地，所述簇生成阶段具体为传感器节点被划分为若干个k-跳分簇。
具体地，所述跨簇路由建立阶段具体为簇首将寻找并建立将数据发送给SINK节点或离SINK节点更近的簇首的能量均衡的路径。
具体地，所述数据传输阶段具体为簇首将通过所述能量均衡的路径将数据传送给SINK节点。
在本实施例中，EBCKCR主要集中在跨簇路由建立阶段，目标是在传感器节点能量异构、通信半径有限的情况下，设计出能以较少控制消息来建立簇间多跳路由且在数据收集阶段可以有效均衡各传感器节点能量耗费的方法，从而延长网络生命周期。
具体地，在簇生成阶段，构造一个k-跳分簇。此时，每个传感器节点均知道簇首是哪个传感器节点(SINK节点也可以看作一个簇首)。此外，每个传感器节点知道自己距离SINK节点的跳数，通过由SINK节点向网络多跳地广播一个信息包，传感器节点通过查看这个信息包被转发的次数来获知自己距离SINK节点的跳数。操作时使用一个变量Level(vi)来表示传感器节点vi距离SINK节点的跳数，显然Level(vi)越小，传感器节点vi离SINK节点越近，反之亦然。同时，簇首会将自己距离SINK节点的跳数通知簇成员，这样传感器节点就能知道簇首距离SINK节点的跳数。
在本实施例中，所述步骤S300具体为：
在每个簇的边界节点vi寻找一条能量均衡的通往自己簇首的路径，用于每个簇的边界节点vi与自己簇首vh间相互传递消息的通道。
每个簇的边界节点vi通过与邻居交换信息，获知是否存在距离SINK节点更近的其他簇首，如果存在这样的其他簇首，则该簇的边界节点vi将邻居中属于各自簇的边界节点通往它们各自簇首的路径，与该簇的边界节点vi到该簇自己簇首vh的路径进行合并，形成该簇首vh通往其他簇首的完整路径。
每个簇的边界节点vi把所述的完整路径上传给所在簇的簇首vh，所在簇的簇首vh就能够获知通过哪些路径可以发送数据给离SINK节点更近的其他簇首。
具体地，EBCKCR在每个传感器节点vi上分布地运行，EBCKCR详细描述如下：
下面将对能量均衡跨簇路由方法EBCKCR和KCMBC进行平均控制消息代价和网络生命周期的性能对比验证。
具体地，平均控制消息代价是指建立路由过程完成时，传感器节点平均耗费在发送和接收控制消息上的能量。由于KCMBC的簇首间不建立路由，簇首是直接发送数据给SINK节点，因此KCMBC没有控制消息代价。为了对EBCKCR的平均控制消息代价进行有效衡量，选择用一个传感器节点收发一个数据耗费的能耗来进行对比。
参见图2，发现簇半径L的大小对平均控制消息代价的影响较大，当L增加时，平均控制消息代价也随之上升。这是因为L的值越大，说明簇的半径越大，这样边界节点越多，由于控制消息的数量主要受到边界节点数量的影响，因此平均控制消息代价也越高。
此外，对比图2a和图2b，SINK节点处在区域中心时网络中传感器节点的平均控制消息代价，要比SINK节点在区域右上角时低，这是因为SINK在区域中心时，各个簇到它的平均距离较短，路径比较容易确定。而当SINK节点在区域右上角时，各个簇到它的平均距离较远，这样传感器节点需要交换较多的控制消息才能确定通往SINK节点的路径。同时可以看到，网络中传感器节点的平均控制消息代价并不算太高，如：图2b中当L＝10时仍小于一个传感器节点收发一个数据的能耗，这说明EBCKCR是能量有效的。
具体地，网络生命周期定义为，网络中的传感器节点将自己的数据发送给簇首，而簇首将簇内数据完全汇聚后发送给离SINK节点更近的簇首进行中继，直至被SINK节点接收所需要的时间。
参见图3，无论SINK节点在区域中心还是在右上角，EBCKCR的网络生命周期均高于KCMBC的网络生命周期。当SINK节点在区域中心时，EBCKCR和KCMBC的网络生命周期，均高于SINK节点在区域右上角时的网络生命周期，这是因为当SINK节点在区域中心时，各簇的数据只需经过较少次数的中继就可以到达SINK节点；而SINK节点在区域右上角时，各簇的数据需要经过较多次数的中继才可以到达SINK节点。
在图3a中，当L＝4时，EBCKCR的网络生命周期达到峰值，然后随着L的增大而降低。这是因为L的大小代表了簇的规模，当簇的规模较小时，则簇首汇聚的数据量不多，节省的能量较少；但是，如果簇的规模过大，则簇首需要耗费过多能量接收簇内大量成员发送来的数据，容易快速耗尽能量而死亡。同样的现象，也发生在KCMBC中。
理论分析和仿真实验表明，EBCKCR能够降低消息复杂度，同时能够有效延长网络生命周期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100构建区域面积为M×M平方米并且随机散布有n个传感器节点的无线传感器网络模型；
S200基于所述无线传感器网络模型，构建自由空间能量衰减模型；
S300基于所述自由空间能量衰减模型，构建能量均衡跨簇路由方法EBCKCR。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，其特征在于，所述步骤S100具体为：
部署一个正方形区域，所述正方形区域的面积为M×M平方米，并且在所述正方形区域中随机散布有n个传感器节点；
确保任意两个所述传感器节点之间存在至少一条路径；
为每个所述传感器节点分配一个唯一的ID号，用vi表示，其中i＝1,2,…,n，用v0表示SINK节点，用vh表示簇首。
3.根据权利要求2所述的一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，其特征在于，所述步骤S200具体为：
假设所述传感器网络模型中，传感器节点vi在每轮产生的数据量均为g bits，通信半径为r，则传感器节点vi在发送数据时耗费的能量Et(g,r)自由空间能量衰减模型为
Et(g,r)＝gEelec+gεfsr2 公式(1)
其中，Eelec表示发射电路消耗的能量，εfs表示自由空间能量衰减模型中功率放大所需的能量；
同时，每个传感器节点vi接收g bits数据需要耗费的能量为
Er(g)＝gEelec 公式(2)。
4.根据权利要求3所述的一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，其特征在于，所述无线传感器网络中的数据收集按轮运行。
5.根据权利要求4所述的一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，其特征在于，所述轮包括三个阶段：簇生成阶段、跨簇路由建立阶段和数据传输阶段。
6.根据权利要求5所述的一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，其特征在于，
所述簇生成阶段具体为传感器节点被划分为若干个k-跳分簇；
所述跨簇路由建立阶段具体为簇首将寻找并建立将数据发送给SINK节点或离SINK节点更近的簇首的能量均衡的路径；
所述数据传输阶段具体为簇首将通过所述能量均衡的路径将数据传送给SINK节点。
7.根据权利要求6所述的一种无线传感网中能量均衡的k-跳分簇路由方法，其特征在于，所述步骤S300具体为：
在每个簇的边界节点vi寻找一条能量均衡的通往自己簇首的路径，用于每个簇的边界节点vi与自己簇首vh间相互传递消息的通道；
每个簇的边界节点vi通过与邻居交换信息，获知是否存在距离SINK节点更近的其他簇首，如果存在这样的其他簇首，则该簇的边界节点vi将邻居中属于各自簇的边界节点通往它们各自簇首的路径，与该簇的边界节点vi到该簇自己簇首vh的路径进行合并，形成该簇首vh通往其他簇首的完整路径；
每个簇的边界节点vi把所述的完整路径上传给所在簇的簇首vh，所在簇的簇首vh就能够获知通过哪些路径可以发送数据给离SINK节点更近的其他簇首。
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