CN111372296B - 一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法 - Google Patents

一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法 Download PDF

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CN111372296B CN202010010113.5A CN202010010113A CN111372296B CN 111372296 B CN111372296 B CN 111372296B CN 202010010113 A CN202010010113 A CN 202010010113A CN 111372296 B CN111372296 B CN 111372296B
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Abstract

本发明涉及无线传感网络技术领域，提供了一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，包括S1‑S7七个步骤。本发明的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，使用能量因子和距离因子改进簇头选举阈值，解决了随机选择簇头导致的簇头在整个网络分布不均匀的情况；其中，使用能量因子令能量较低的节点当选簇头的概率降低，使整个网络能量分布更平衡，避免了死区的形成过早，使用距离因子优化簇头选举，使距离基站节点较远的节点不会因为过快用尽自身的能量导致网络的分割，同时降低了节点发送数据的平均距离，延缓了整个网络的能量衰减速度，使网络生存周期增加；本发明的协议相比LEACH协议延长了整体网络平均29.7％的生存周期。

Description

一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法
技术领域
本发明涉及无线传感网络技术领域，具体为一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法。
背景技术
随着无线传感网络技术的快速发展，其对社会日常生活也逐渐深入。无线传感网络技术通过部署智能传感设备例如能收集处理数据的无线传感器节点来实现人与人、人与物以及物和人之间的共享信息和交互。无线传感网络技术体系模型包括应用层、网络层和感知层自上而下的三层结构。其中在网络层使用较多的异构网络有RFID网络、无线传感网络等。网络层的数据采集和传输离不开路由协议，所以对路由协议的研究对于无线传感网络技术意义重大。
无线传感网络主要应用于医疗卫生、地理环境检测、军事领域、智能家居等方方面面。无线传感网络的能源供应主要依赖于电池，而且对于部分分布零散的网络对其的充电也很繁琐，单个节点的电池容量也不是很大。因此对无线传感网络的研究主要集中在节点能量的利用效率以及整体网络的生存周期。
分簇路由协议属于一种无线传感网络分层路由协议。分簇路由协议的簇头选举阶段，让整个网络分成若干簇，簇头通过对簇内成员节点发送的数据进行筛选和数据融合，打包成数据包发送给基站节点的方式来降低节点向基站节点发送的消息数量和通信距离，以实现提高整个网络能量利用率和生存周期的目的。
LEACH协议是其中最经典的分簇路由协议，但是本身仍有随机分簇导致的能量分布不均匀以及边缘节点能量消耗过快的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，增加了网络生存周期。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，包括如下步骤：
S1，在待测无线传感器区域内布置基站节点s0，并随机布置n(n≥2)个传感器节点，记为集合S＝{s1，s2，s3，…si…，sn}，在所述S集合中，每个节点的初始能量为E0，簇头占所有节点的比率设置为p(0＜p＜1)；同时，设定集合G，G表示在最近
Figure BDA0002356832690000022
轮内都未成为簇头的所有节点集合；
S2，根据所述集合S计算距离因子Df和能量因子Ef；
S3，根据所述距离因子和所述能量因子确定所述集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)；
S4，根据所述簇头选举阈值进行簇头选举并在选举完毕后更新所述集合G；
S5，以本轮选举过程中当选为簇头的节点为中心节点建立簇；
S6，在分簇完毕后进行数据稳定传输；
S7，在该轮传输结束后，保存各节点si的剩余能量E(i)和簇头选举情况，并重复所述S2-S6，直到达到最大运行轮数或者所述待测无线传感器区域内各节点的能量均耗尽，则各簇头分布均匀。
进一步，在所述S2步骤中，根据所述集合S中各存活节点距基站节点s0的最大距离dmax计算各传感器节点的距离因子Df，并根据各存活节点的剩余能量E(i)计算其能量因子Ef。
进一步，具体的计算方式为：
集合S中各传感器节点的距离因子Df和能量因子Ef，即：
Figure BDA0002356832690000021
上式中：dmax为集合S中存活节点距基站节点s0的最大距离，dtoBS(i)为节点i距基站节点s0的距离，dmin表示集合S中存活节点距基站节点s0的最小距离；
特别的，当dmax＝dmin时，令Df＝0，
Figure BDA0002356832690000031
上式中：E(i)为簇头选举前节点i的剩余能量，
Elocal(i)为簇头选举前节点i簇内的平均能量。
把第r轮簇头选举前节点i的剩余能量E(i)记为Er(i)，r为运行轮数，则对于簇内成员节点，Er(i)＝Er-1(i)-ETo_Head，其中，簇内成员节点将m bit数据发送到簇头的能量消耗ETo_Head表示为：
Figure BDA0002356832690000032
上式中：Ri表示节点i对应的簇半径，ε是能量系数(单位J/(bit/m2))，EPX是单位比特数据传输在节点中的能量消耗，ρ表示节点的密度，即
Figure BDA0002356832690000033
对于簇头节点，Er(i)＝Er-1(i)-ER-EA-ETo_BS，其中，簇头接收簇内信息的能耗ER表示为：
Figure BDA0002356832690000034
上式中：ERX为接收单位比特数据的能量消耗，簇头融合数据的能量消耗EA表示为：
Figure BDA0002356832690000035
上式中：EDA为融合单位比特数据消耗的能量；
簇头节点向基站发送数据的能量消耗ETo_BS表示为：
Figure BDA0002356832690000036
上式中：Di为簇头节点到基站节点的距离。
进一步，在所述S3步骤中，具体的计算方式为：
集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)，即：
Figure BDA0002356832690000041
上式中：p表示网络中依据理论预先设定的簇头数占总节点数的比率，r表示运行的轮数，G则表示在最近
Figure BDA0002356832690000044
轮内都未成为簇头的所有节点集合，
Figure BDA0002356832690000042
综上，T(si)为：
Figure BDA0002356832690000043
进一步，在所述S4步骤中，簇头选举的方式具体为：先给所述集合S中每个存活节点随机分配一个随机数ai，且ai满足0＜ai＜1，然后所述集合S中每个存活节点将所述S3中计算的各自的簇头选举阈值T(si)与分配的随机数ai比较；若ai大于T(si)则该节点成为簇成员节点，若ai小于T(si)且该节点之前未成为过簇头，则该节点当选为此轮的簇头节点。
进一步，在所述S5步骤中，建立簇的具体方式为：在所述集合S中，本轮当选为簇头的节点对周围节点广播自己成为簇头的消息，没有当选为簇头的节点接收到广播信息后，选择距离最近的簇头发出加入请求。
进一步，在所述S6步骤中，数据稳定传输的方式具体为：分簇完毕后，簇头采用时分多址机制接受簇内成员传输过来的感知数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，使用能量因子和距离因子改进簇头选举阈值，解决了随机选择簇头导致的簇头在整个网络分布不均匀的情况；其中，使用能量因子令能量较低的节点当选簇头的概率降低，使整个网络能量分布更平衡，避免了死区的形成过早，使用距离因子优化簇头选举，使距离基站节点较远的节点不会因为过快用尽自身的能量导致网络的分割，同时降低了节点发送数据的平均距离，延缓了整个网络的能量衰减速度，使网络生存周期增加；本发明的协议相比LEACH协议延长了整体网络平均29.7％的生存周期；本发明具有簇头分布均匀，网络生存周期长，节点能量衰减慢的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法的实施实例一中的各轮未枯竭节点的个数变化统计图；
图3为本发明实施例提供的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法的实施实例二中的各轮未枯竭节点的个数变化统计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，包括如下步骤：S1，在待测无线传感器区域内布置基站节点s0，并随机布置n(n≥2)个传感器节点，记为集合S＝{s1，s2，s3，…si…，sn}，在所述S集合中，每个节点的初始能量为E0，簇头占所有节点的比率设置为p(0＜p＜1)；同时，设定集合G，G表示在最近
Figure BDA0002356832690000051
轮内都未成为簇头的所有节点集合；S2，根据所述集合S计算距离因子Df和能量因子Ef；S3，根据所述距离因子和所述能量因子确定所述集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)；S4，根据所述簇头选举阈值进行簇头选举并在选举完毕后更新所述集合G；S5，以本轮选举过程中当选为簇头的节点为中心节点建立簇；S6，在分簇完毕后进行数据稳定传输；S7，在该轮传输结束后，保存各节点si的剩余能量E(i)和簇头选举情况，并重复所述S2-S6，直到达到最大运行轮数或者所述待测无线传感器区域内各节点的能量均耗尽，则各簇头分布均匀。使用能量因子和距离因子改进簇头选举阈值，解决了随机选择簇头导致的簇头在整个网络分布不均匀的情况；其中，使用能量因子令能量较低的节点当选簇头的概率降低，使整个网络能量分布更平衡，避免了死区的形成过早，使用距离因子优化簇头选举，使距离基站节点较远的节点不会因为过快用尽自身的能量导致网络的分割，同时降低了节点发送数据的平均距离，延缓了整个网络的能量衰减速度，使网络生存周期增加；本发明的协议相比LEACH协议延长了整体网络平均29.7％的生存周期；本发明具有簇头分布均匀，网络生存周期长，节点能量衰减慢的特点。
以下为具体实施例：
实施例一：
在大小为100m×100m的待测无线传感器区域内设置基站节点s0并随机布置100个无线传感器节点组成传感器节点集合，记为S＝{s1，s2，s3，…si…，s100}。基站节点s0和集合S中的传感器节点均固定静止。设置最大运行轮数rmax＝3000。集合S中，每个节点的初始能量为E0＝0.005J，簇头占所有节点的比率设置为p＝0.1。
设置实验参数。设定如表1所示。
表1
Figure BDA0002356832690000071
设定集合G，G表示在最近
Figure BDA0002356832690000072
轮即前10轮内都未成为簇头的所有节点集合。
根据集合S中各存活节点距基站节点s0的最大距离dmax计算各传感器节点的距离因子Df、根据各存活节点的剩余能量E(i)计算其能量因子Ef。
根据计算的距离因子Df和能量因子Ef确定集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)。
簇头选举，给集合S中每个存活节点随机分配一个随机数ai，且ai满足0＜ai＜1。然后集合S中每个存活节点将计算的各自的簇头选举阈值T(si)与分配的随机数ai比较；若ai大于T(si)则该节点成为簇成员节点，若ai小于T(si)且该节点之前未成为过簇头，则该节点当选为此轮的簇头节点。选举完毕，更新G集合。
建立簇，集合S中，本轮当选为簇头的节点对周围节点广播自己成为簇头的消息，没有当选为簇头的节点接收到广播信息后，选择距离最近的簇头发出加入请求。
数据稳定传输阶段，分簇完毕后，簇头采用时分多址机制接受簇内成员传输过来的感知数据。
该轮传输结束后，保存各节点si的剩余能量E(i)和簇头选举情况。重复上述几步，直到达到最大运行轮数rmax即3000轮或者区域内节点能量均耗尽。
记录本发明协议与LEACH协议各轮存活节点数，绘制成图2。
集合S中各传感器节点的距离因子Df和能量因子Ef，即：
Figure BDA0002356832690000081
式(1)中：dmax为集合S中存活节点距基站节点s0的最大距离，
dtoBS(i)为节点i距基站节点s0的距离，
dmin表示集合S中存活节点距基站节点s0的最小距离；
特别的，当dmax＝dmin时，令Df＝0。
Figure BDA0002356832690000082
式(2)中：E(i)为簇头选举前节点i的剩余能量，
Elocal(i)为簇头选举前节点i簇内的平均能量。
把第r轮簇头选举前节点i的剩余能量E(i)记为Er(i)，r为运行轮数。则对于簇内成员节点，Er(i)＝Er-1(i)-ETo_Head。其中，簇内成员节点将m bit数据发送到簇头的能量消耗ETo_Head表示为：
Figure BDA0002356832690000083
式(3)中：Ri表示节点i对应的簇半径，
ε是能量系数(单位J/(bit/m2))，
EPX是单位比特数据传输在节点中的能量消耗，
ρ表示节点的密度，即
Figure BDA0002356832690000084
对于簇头节点，Er(i)＝Er-1(i)-ER-EA-ETo_BS，其中，簇头接收簇内信息的能耗ER表示为：
Figure BDA0002356832690000085
式(4)中，ERX为接收单位比特数据的能量消耗。簇头融合数据的能量消耗EA表示为：
Figure BDA0002356832690000091
式(5)中EDA为融合单位比特数据消耗的能量。簇头节点向基站发送数据的能量消耗ETo_BS表示为：
Figure BDA0002356832690000092
式(6)中Di为簇头节点到基站节点的距离。
本实施实例中，集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)，即：
Figure BDA0002356832690000093
式(7)中：p表示网络中依据理论预先设定的簇头数占总节点数的比率，
r表示运行的轮数，
G则表示在最近
Figure BDA0002356832690000094
轮内都未成为簇头的所有节点集合。
Figure BDA0002356832690000095
Figure BDA0002356832690000096
综上，T(si)可以表示为：
Figure BDA0002356832690000097
实施例二：
一种选举阈值优化的无线传感网络路由协议。该无线传感路由协议的具体步骤是：
在大小为200m×200m的待测无线传感器区域内设置基站节点s0并随机布置300个无线传感器节点组成传感器节点集合，记为S＝{s1，s2，s3，…si…，s300}。基站节点s0和集合S中的传感器节点均固定静止。设置最大运行轮数rmax＝3000。集合S中，每个节点的初始能量为E0＝0.005J，簇头占所有节点的比率设置为p＝0.1。
实验参数设定同实施例一，如表1所示。
重复的步骤同实施例一。
记录本发明协议与LEACH协议各轮存活节点数，绘制成图3。
本实施集合S中各传感器节点的距离因子Df和能量因子Ef，即：
Figure BDA0002356832690000101
式(1)中：dmax为集合S中存活节点距基站节点s0的最大距离，
dtoBS(i)为节点i距基站节点s0的距离，
dmin表示集合S中存活节点距基站节点s0的最小距离；
特别的，当dmax＝dmin时，令Df＝0。
Figure BDA0002356832690000102
式(2)中：E(i)为簇头选举前节点i的剩余能量，
Elocal(i)为簇头选举前节点i簇内的平均能量。
把第r轮簇头选举前节点i的剩余能量E(i)记为Er(i)，r为运行轮数。则对于簇内成员节点，Er(i)＝Er-1(i)-ETo_Head。其中，簇内成员节点将m bit数据发送到簇头的能量消耗ETo_Head表示为：
Figure BDA0002356832690000103
式(3)中：Ri表示节点i对应的簇半径，
ε是能量系数(单位J/(bit/m2))，
EPX是单位比特数据传输在节点中的能量消耗，
ρ表示节点的密度，即
Figure BDA0002356832690000104
对于簇头节点，Er(i)＝Er-1(i)-ER-EA-ETo_BS，其中，簇头接收簇内信息的能耗ER表示为：
Figure BDA0002356832690000111
式(4)中：ERX为接收单位比特数据的能量消耗。簇头融合数据的能量消耗EA表示为：
Figure BDA0002356832690000112
式(5)中：EDA为融合单位比特数据消耗的能量。簇头节点向基站发送数据的能量消耗ETo_BS表示为：
Figure BDA0002356832690000113
式(6)中：Di为簇头节点到基站节点的距离。
本实施实例集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)，即：
Figure BDA0002356832690000114
式(7)中：p表示网络中依据理论预先设定的簇头数占总节点数的比率，
r表示运行的轮数，
G则表示在最近
Figure BDA0002356832690000115
轮内都未成为簇头的所有节点集合。
Figure BDA0002356832690000116
Figure BDA0002356832690000117
综上，T(si)可以表示为：
Figure BDA0002356832690000118
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在待测无线传感器区域内布置基站节点s0，并随机布置n(n≥2)个传感器节点，记为集合S＝{s1,s2,s3,…si…,sn}，在所述S集合中，每个节点的初始能量为E0，簇头占所有节点的比率设置为p(0<p<1)；同时，设定集合G，G表示在最近
Figure FDA0003366463240000012
轮内都未成为簇头的所有节点集合；
S2，根据所述集合S计算距离因子Df和能量因子Ef；
S3，根据所述距离因子和所述能量因子确定所述集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)；
S4，根据所述簇头选举阈值进行簇头选举并在选举完毕后更新所述集合G；
S5，以本轮选举过程中当选为簇头的节点为中心节点建立簇；
S6，在分簇完毕后进行数据稳定传输；
S7，在该轮传输结束后，保存各节点si的剩余能量E(i)和簇头选举情况，并重复所述S2-S6，直到达到最大运行轮数或者所述待测无线传感器区域内各节点的能量均耗尽，则各簇头分布均匀；
在所述S2步骤中，根据所述集合S中各存活节点距基站节点s0的最大距离dmax计算各传感器节点的距离因子Df，并根据各存活节点的剩余能量E(i)计算其能量因子Ef；
具体的计算方式为：
集合S中各传感器节点的距离因子Df和能量因子Ef，即：
Figure FDA0003366463240000011
上式中：dmax为集合S中存活节点距基站节点s0的最大距离，dtoBS(i)为节点i距基站节点s0的距离，dmin表示集合S中存活节点距基站节点s0的最小距离；
当dmax＝dmin时，令Df＝0，
Figure FDA0003366463240000021
上式中：E(i)为簇头选举前节点i的剩余能量，
Elocal(i)为簇头选举前节点i簇内的平均能量；
把第r轮簇头选举前节点i的剩余能量E(i)记为Er(i)，r为运行轮数，则对于簇内成员节点，Er(i)＝Er-1(i)-ETo_Head，其中，簇内成员节点将m bit数据发送到簇头的能量消耗ETo_Head表示为：
Figure FDA0003366463240000022
上式中：Ri表示节点i对应的簇半径，ε是能量系数(单位J/(bit/m2))，EPX是单位比特数据传输在节点中的能量消耗，ρ表示节点的密度，即
Figure FDA0003366463240000023
对于簇头节点，Er(i)＝Er-1(i)-ER-EA-ETo_BS，其中，簇头接收簇内信息的能耗ER表示为：
Figure FDA0003366463240000024
上式中：ERX为接收单位比特数据的能量消耗，簇头融合数据的能量消耗EA表示为：
Figure FDA0003366463240000025
上式中：EDA为融合单位比特数据消耗的能量；
簇头节点向基站发送数据的能量消耗ETo_BS表示为：
Figure FDA0003366463240000026
上式中：Di为簇头节点到基站节点的距离。
2.如权利要求1所述的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，其特征在于，在所述S3步骤中，具体的计算方式为：
集合S中各传感器节点的簇头选举阈值T(si)，即：
Figure FDA0003366463240000031
上式中：p表示网络中依据理论预先设定的簇头数占总节点数的比率，r表示运行的轮数，G则表示在最近
Figure FDA0003366463240000032
轮内都未成为簇头的所有节点集合，
Figure FDA0003366463240000033
综上，T(si)为：
Figure FDA0003366463240000034
3.如权利要求1所述的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，其特征在于，在所述S4步骤中，簇头选举的方式具体为：先给所述集合S中每个存活节点随机分配一个随机数ai，且ai满足0<ai<1，然后所述集合S中每个存活节点将所述S3中计算的各自的簇头选举阈值T(si)与分配的随机数ai比较；若ai大于T(si)则该节点成为簇成员节点，若ai小于T(si)且该节点之前未成为过簇头，则该节点当选为此轮的簇头节点。
4.如权利要求1所述的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，其特征在于，在所述S5步骤中，建立簇的具体方式为：在所述集合S中，本轮当选为簇头的节点对周围节点广播自己成为簇头的消息，没有当选为簇头的节点接收到广播信息后，选择距离最近的簇头发出加入请求。
5.如权利要求1所述的一种无线传感网络路由协议的选举阈值的优化方法，其特征在于，在所述S6步骤中，数据稳定传输的方式具体为：分簇完毕后，簇头采用时分多址机制接受簇内成员传输过来的感知数据。
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