CN111194065B - 一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络路由方法，特别是一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA（Energy‑balanced Multi‑hop Routing Algorithm for ring wireless sensor network），该方法包含网络模型、簇管理节点和簇头选举、路由确定三个部分，基于环形无线传感器网络，构建了基于节点剩余能量以及节点到基站的距离的簇管理节点选举权值函数，以及基于节点剩余能量、节点到簇管理节点与簇管理节点到基站距离比的簇头选举权值函数，函数大的节点分别成为簇管理节点和簇头。采用簇头到簇管理节点、簇管理节点到簇管理节点或基站的多跳方式，形成最短的到基站的路由路径，从而提高网络能量效率，延长网络生命周期。

Description

一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络路由方法，特别是一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA(Energy-balancedMulti-hop clustering RoutingAlgorithm for ring wireless sensor network)，它通过选举簇头管理节点来减轻簇头节点负荷，并通过多跳方式来进行数据传输，从而提高网络能量效率，延长网络生命周期。
背景技术
近年来随着物联网、人工智能的发展，无线传感器网络WSNs(Wireless SensorNetworks)已成为研究热点，其主要应用于医疗检测，环境监测，军事防御等不同领域。无线传感器网络有大量节点构成，且每个节点的功率、存储以及计算能力受到限制，主要是节点通常采用微型电池供电，且节点往往部署在恶劣的环境，难以替换电池。无线传感器网络路由协议是无线传感器网络的核心技术，如何通过有效的路由算法减少网络通信能耗和延长网络生命周期已经成为无线传感器网络面临的重要挑战。
路由算法主要有平面路由和分层路由协议两类，LEACH协议作为经典的分层路由协议，其将网络划分为若干大小不同的簇，每一个簇中有一个簇头(CH，Cluster Head),每个簇中的成员节点把信息数据发送到簇头，每个簇头通过单跳将数据发送到基站(BS，BaseStation)。而且各节点轮流担当簇头，使得网络中能量消耗尽量均衡。但LEACH随机选举簇头，容易使剩余能量低的节点成为簇头过早死亡。此外，簇头以单跳的方式将数据发送到基站，容易导致离基站远的簇头过早死亡。因此，一些改进的LEACH算法陆续被提出来解决LEACH存在的缺陷，其中一些算法将网络划分为若干环，并将每个环划分为若干簇，每个簇选举产生一个簇头，并建立从簇头节点到基站的单跳或多跳路由，有效地均衡各节点的能量消耗，延长网络生命周期。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对LEACH随机簇头选举以及单跳导致的能量效率低问题，考量节点的剩余能量、节点与基站的距离、节点与簇管理节点的距离以及簇管理节点与基站的距离来构建不同的权值函数，从而选举合适的簇头和簇管理节点(CM，ClusterManager)共同承担数据融合和数据转发任务，并基于与基站最短路径通过多跳方式实现数据传输，有效提高了网络能量效率，延长了网络的生命周期。
本发明一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA由三个部分构成，即网络模型、簇管理节点和簇头选举、路由确定。网络模型具体为环形网络，即在基站位于中心的圆形目标区域，将其划分成多个同心环，节点分布在各个环内，且所有节点向网络中唯一的基站传输数据，节点能量采用自由空间模型计算。簇管理节点和簇头选举是为了选出簇中最优的节点簇管理节点和次优的节点簇头来分别承担数据转发和数据融合任务，考虑了节点的剩余能量、节点到基站的距离、节点到簇管理节点的距离、簇管理节点到基站的距离。路由确定是为了寻找与基站最短的多跳路径，簇头融合完簇普通节点数据后将数据传输给距离自身最近的内环簇管理节点，该簇管理节点依次把数据转发给距离其最近的内环管理节点，直至到基站。
所述的网络模型为环形网络，即在基站BS位于中心且半径为R的圆形目标区域，将该圆形目标区域划分成b个同心环，n个节点分布在各环中，所有节点具有相同的初始能量和相同的通信半径以及相同的传输速率。节点的能耗采用自由空间模型计算，具体包括发送数据、接收数据以及融合数据消耗的能量。
所述的簇管理节点和簇头选举是为了选出簇中最优的节点来承担数据转发任务，以及次优的节点来融合簇内节点数据并发送至内环簇管理节点。为了选出簇管理节点，定义了基于节点剩余能量以及节点到基站的最短距离的权值函数，函数大的节点成为簇管理节点。同样，定义了基于节点剩余能量、节点到簇管理节点与簇管理节点到基站距离比的权值函数，函数值大的节点成为簇头。
所述的路由确定是为了寻找最优的多跳路径，将感知数据以高能效的方式传送到基站。为了避免簇头因负荷过重早死，簇头融合完簇成员数据后将数据传输给距离自身最近的内环簇管理节点，该簇管理节点再依次把数据转发给距离其最近的内环管理节点，直至到基站。
由以上叙述可见本发明一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA包含网络模型、簇管理节点和簇头选举、路由确定三个部分，基于环形无线传感器网络，定义了基于节点剩余能量以及节点到基站的距离的簇管理节点选举权值函数，以及基于节点剩余能量、节点到簇管理节点的距离、簇管理节点到基站的距离的簇头选举权值函数，函数大的节点分别成为簇管理节点和簇头。采用簇头到簇管理节点、簇管理节点到簇管理节点或基站的多跳方式，形成最短的路由路径，从而提高网络能量效率，延长网络生命周期。
附图说明
图1为本发明的路由确定示意图
图2为本发明的网络节点死亡率变化示意图
图3为本发明的网络总能耗变化示意图
图4为本发明的网络平均节点剩余能量示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，本发明一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA包含网络模型、簇管理节点和簇头选举、路由确定三个部分，基于环形无线传感器网络，构建了基于节点剩余能量以及节点到基站的距离的簇管理节点选举权值函数，以及基于节点剩余能量、节点到簇管理节点的距离、簇管理节点到基站的距离的簇头选举权值函数，函数大的节点分别成为簇管理节点和簇头。采用簇头到簇管理节点、簇管理节点到簇管理节点或基站的多跳方式，形成最短的路由路径，从而提高网络能量效率，延长网络生命周期。由网络模型可知每个环域的宽度为R/b，设网络中每一环中的簇头数为Ca(a＝1，2，3，4，...，b)，每一环的簇头数目按照算术级数来分布，则每一环中节点数为：
Ca＝2*a-1 (1)
Figure GDA0002445295540000031
其中，a表示网络的环数，Ca表示每一环中的簇头数，Nua表示每一环中节点数，p表示簇头和簇管理节点选举概率。
所述的网络模型为环形网络，即在基站BS位于中心且半径为R的圆形目标区域，将该圆形目标区域划分成b个同心环，n个节点分布在各环中，所有节点具有相同的初始能量和相同的通信半径以及相同的传输速率，网络中的链路没有冲突和重传，网络具有很好的连接性。节点的能耗采用自由空间模型计算，即计算在距离为d的节点Ni和节点Nj之间发送和接收1bit的数据所消耗的能量分别为Et和Er：
Figure GDA0002445295540000032
Er＝Eelec (4)
Figure GDA0002445295540000033
其中，Eelec是传感器节点发送或者接收1bit数据所消耗的能量，εfs、εmp是放大器参数，
Figure GDA0002445295540000034
是节点Ni和节点Nj之间的距离，d0是通信距离阈值。簇头节点融合的m个普通节点分别携带k1，k2，k3，....，kmbit的信息所消耗的能量为EDA：
Figure GDA0002445295540000041
其中，Eda是融合1bit数据所消耗的能量。
所述的簇管理节点和簇头选举通过选出簇中最优的节点来承担数据转发任务，选出次优的节点来融合簇内节点数据并发送至内环簇管理节点。簇管理节点承担数据的转发任务，其对自身位置以及能量有着更严格的要求，所以先进行簇管理节点选举，然后进行簇头选举，它们的选举概率相等，都等于p。簇管理节点的选举考虑到节点的剩余能量以及节点到基站的距离，用α表示当前轮中节点的剩余能量与节点初始能量比值，β表示当前轮中节点到基站的距离。簇管理节点的选举权值函数V1(n)为：
Figure GDA0002445295540000042
Figure GDA0002445295540000043
Figure GDA0002445295540000044
其中Ec表示当前节点的剩余能量，E0表示节点的初始能量，
Figure GDA0002445295540000045
表示节点Ni到基站的距离，r是当前网络轮数，S是非簇头节点集，函数值大的节点成为簇管理节点。网络的生命周期与簇头的选举密切相关，网络中簇头不仅需要融合簇内节点所发送的信息，同时也需要把融合后的信息发送到内环簇管理节点，所以簇头的通信能耗相比普通节点比较大。因此考虑节点的剩余能量同时也考虑了节点到簇管理节点的距离与簇管理节点到基站距离的关系。γ表示节点Nj到簇管理节点的距离与簇管理节点到基站距离的比值，γ越大，表示把数据传输到基站所需能量就越少。簇头选举的权值函数V2(n)为：
Figure GDA0002445295540000046
Figure GDA0002445295540000051
函数值大的节点成为簇头。
所述的路由确定是找到最优的多跳路径将感知数据以高能效的方式传送到基站，步骤如下：
(1)在数据传输阶段开始时，网络中任一a环中某一簇内的节点i把数据发送到簇头Nic(xic，yic)(i＝1，2，3，...，n)。簇头Nic(xic，yic)把接收的的数据进行融合。
(2)a环中的簇头把所携带有自己的坐标Nic(xic，yic)位置的信息mic在整个网络中广播。
(3)当网络中a-1环中的簇管理节点Nim(xim，yin)，接收到网络中节点Nic发送的广播信息后，a-1环中的簇管理节点Nim(xim，yim)同时也将自己的坐标信息mim发送给a环中的簇头。
(4)a环中的簇头根据a-1环中簇管理节点所发来的信息，计算与各簇管理节点的距离，选择距离自身位置距离最近的簇管理节点，然后把数据传输给该簇管理节点。依次类推，该簇管理节点把数据再转发给下一跳中距离自己最近的簇管理节点，最终把数据信息发送到基站。
为了验证本发明一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA的性能，使用MATLAB仿真工具，对EMRA和LEACH算法进行比较分析。实验仿真参数如表1所示。
表1仿真环境参数设置
Figure GDA0002445295540000052
Figure GDA0002445295540000061
首先在对EMRA和LEACH的节点死亡变化情况进行了比较分析，结果如图2所示。从图中可以看出EMRA在942轮时才有节点开始死亡，而LEACH在385轮时已经有节点开始死亡。而且在网络节点死亡率为50％时，LEACH的簇头轮换次数为779，而EMRA的簇头轮换次数已经达到了1325，表明EMRA可以减少网络中节点的能量消耗，缓解簇头的负荷。
接下来对EMRA和LEACH的网络能量消耗进行了比较分析，结果如图3所示。从图中可以看出随着簇头轮换次数的增加，LEACH和EMRA的网络能耗都在增加。EMRA的网络能耗变化比LEACH的网络能耗变化缓慢，在簇头轮换次数为1000时，LEACH的网络能量消耗已经达到4.4531J。此时EMRA的网络能耗是3.3884J，表明EMRA中采用多跳的路由算法可以提高网络能量效率，延长网络生命周期。
最后对EMRA和LEACH的网络平均节点剩余能量进行了比较分析，结果如图4所示。从图中可见，在网络初始阶段时，LEACH和EMRA网络中节点的平均剩余能量不断减少，但是当网络中出现节点死亡时，LEACH和EMRA中平均节点剩余能量的减少突然变得缓慢且有波动，主要是因为网络中存活节点数开始不断减少，但对网络中的节点平均剩余能量没有产生很大影响。且从图中明显可以看出EMRA的平均节点剩余能量比LEACH的平均节点剩余能量多，进一步说明EMRA在减少节点能耗，提高网络能量效率上比LEACH具有更优越的性能。
本发明的一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA，基于节点剩余能量以及节点到基站的距离来选举簇管理节点，基于节点剩余能量、节点到簇管理节点与簇管理节点到基站距离比来选举簇头，簇头负责簇内数据融合，簇管理节点负责数据转发，均衡簇内能耗，且通过最短路径多跳方式完成数据的传输。从节点死亡变化、网络能量消耗以及网络平均节点剩余能量方面对算法进行了仿真分析，结果表明相比LEACH算法，EMRA具有更高的能量效率，网络生命周期更长。

Claims (1)

1.一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA，其特征在于：包括网络模型、簇管理节点和簇头选举、路由确定三个部分，面向环形无线传感器网络，构建了基于节点剩余能量以及节点到基站的距离的簇管理节点选举权值函数，以及基于节点剩余能量、节点到簇管理节点与簇管理节点到基站距离比的簇头选举权值函数，函数大的节点分别成为簇管理节点和簇头；采用簇头到簇管理节点﹑簇管理节点到簇管理节点或基站的多跳方式，形成最短的到基站的路由路径，从而提高网络能量效率，延长网络生命周期；
所述的簇管理节点和簇头选举通过选出簇中最优的节点来承担数据转发任务，选出次优的节点来融合簇内节点数据并发送至内环簇管理节点；簇管理节点承担数据的转发任务，其对自身位置以及能量有着更严格的要求，所以先进行簇管理节点选举，然后进行簇头选举，它们的选举概率相等，都等于p；簇管理节点的选举考虑到节点的剩余能量，且
Figure FDA0003434207610000011
β表示当前轮中节点到基站的距离，且β＝dNiB；簇管理节点的选举权值函数V1(n)为:
Figure FDA0003434207610000012
其中Ec表示当前节点的剩余能量，E0表示节点的初始能量，
Figure FDA0003434207610000015
表示节点Ni到基站的距离，r是当前网络轮数，S是非簇头节点集，函数值大的节点成为簇管理节点；网络的生命周期与簇头的选举密切相关，网络中簇头不仅需要融合簇内节点所发送的信息，同时也需要把融合后的信息发送到内环簇管理节点，所以簇头的通信能耗相比普通节点比较大；因此考虑节点的剩余能量同时也考虑了节点到簇管理节点的距离与簇管理节点到基站距离的关系；γ表示节点Nj到簇管理节点的距离与簇管理节点到基站距离的比值，且
Figure FDA0003434207610000013
γ越大，表示把数据传输到基站所需能量就越少；簇头选举的权值函数V2(n)为:
Figure FDA0003434207610000014
函数值大的节点成为簇头；
所述的路由确定是找到最优的多跳路径将数据以高能效的方式传送到基站，步骤如下:
(1)在数据传输阶段开始时,网络中任一a环中某一簇内的节点i把数据发送到簇头Nic(xic，yic)(i＝1,2,3,…,n)；簇头Nic(xic，yic)把接收的的数据进行融合；
(2)a环中的簇头把所携带有自己的坐标Nic(xic，yic)位置的信息mic在整个网络中广播；(3)当网络中a-1环中的簇管理节点Nim(xim，yim)，接收到网络中节点Nic发送的广播信息后，a-1环中的簇管理节点Nim(xim，yim)同时也将自己的坐标信息mim发送给a环中的簇头；
(4)a环中的簇头根据a-1环中簇管理节点所发来的信息，计算与各簇管理节点的距离，选择距离自身位置距离最近的簇管理节点，然后把数据传输给该簇管理节点；依次类推，该簇管理节点把数据再转发给下一跳中距离自己最近的簇管理节点，最终把数据信息发送到基站。
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