CN111556548A - Wban中基于非均匀分簇的多径路由协议 - Google Patents
Wban中基于非均匀分簇的多径路由协议 Download PDFInfo
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Abstract
WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，涉及通信技术领域，在非均匀分簇的基础上进行了多径路由的设计，同时考虑了WBAN数据的异构性特点对数据进行了分类处理。当簇头节点要传输同样类型的数据时，优先选择最佳的传输路径，若最优路径故障时则切换至次优路径；当簇头节点要传输不同类型的数据时，则采用并行传输的方式，高优先级的数据优先在最优路径上传输，低优先级的数据在次优路径上同时传输。本发明有益效果：提高了数据传输的可靠性，同时采用多径传输的方式可以利用更多的节点参与数据的转发任务，均衡了网络能耗，延长了网络寿命。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议。
背景技术
WBAN是以数据为中心的小型网络，完成数据的可靠和高质量传输是网络设计的根本目标。而目前的路由协议，一般都是通过某种方法选择出一条最佳的路径来完成数据的传输，若最佳路径故障时，则需要重启路由发现，规划新的路径通过重传才能保证数据的可靠性传输。通过数据的重传来保证数据的可靠性传输不仅会造成额外的能耗，也会造成较大的延迟。
在解决数据的可靠性传输问题，另一种常用的方法是多径路由，该路由方法通过在源节点和目的节点之间建立多条路径，有效地提高了数据传输的可靠性，同时在均衡网络能耗方面也很有优势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，解决WBAN中单径路由存在可靠性较差的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，包括以下3个阶段：
一、非均匀分簇：按照非均匀分簇的方法，将网络中的节点分成非均匀分布的簇群；
二、建立多径路由：簇内节点采用一跳的方式将数据发送至簇头，簇头节点对簇内成员发送来的数据进行融合处理，然后通过多跳的方式转发至sink节点，其中下一跳节点在簇头集合S-CH中产生；
三、数据传输阶段：将不同优先级的数据进行分类处理，簇间数据传输采用节点独立的多径路由协议，簇间多径路由的传输分为以下两种情况：
(1)若当前簇头节点传输同样类型的数据，则按照最佳路径优先，次优路径为备选路径的方式进行数据的转发，当最优路径故障时，就立即切换至次优路径。提高了数据传输的可靠性，同时避免了重启路由发现造成的延迟和数据重传造成了额外能耗；
(2)若当前簇头节点传输不同类型的数据，则在最优路径上优先传输紧急数据，在次优路径上同时传输一般数据。通过多径并行传输的方式，既能保证高优先级的数据的可靠传输，也能实现低优先级数据的及时传输，更能满足WBAN的实际需求。
本发明所述阶段一种按照非均匀分簇的方法将网络中的节点分成非均匀分布的簇群的方法包括以下三个步骤：
(1)网络初始化：在网络初始化阶段，sink节点向全网广播hello消息唤醒所有节点，网络中的节点接收到该消息后立即更新sink节点的位置，并根据接收信号强度计算出与sink节点的距离并保存，节点在传输数据时根据与sink的距离大小选择合适的路由方法，节点完成上述工作后，向网络中回复一个确认消息，该消息包括节点的ID、位置、剩余能量信息，初始化阶段结束后，网络中所有节点都知道邻居节点的信息以及sink节点的位置；
(2)簇头的选择：选择簇头时，评估候选簇头节点的相对剩余能量Eres(i)和候选簇头节点与sink节点的距离d(i)两个参数，综合两个参数进行簇头的选择，具体为：定义簇头选择函数S(i)，
选择函数值最大的节点作为簇头，被选择成为簇头的节点具有剩余能量较多和距离sink节点较近的特点，簇头产生之后会形成一个簇头集合S-CH，网络中其他节点会自动转为普通节点；
(3)节点入簇：簇头节点选择成功后，会在自己的竞争半径Ri内向周围的网络中广播消息，宣布其当选为簇头的Head-ACK消息，在该通信范围内的其他节点接收到该消息后会储存这些信息并形成一个簇头信息表，然后等待加入合适的簇群。
本发明所述阶段二中下一跳节点的选择方法具体为：
(1)当簇头节点与sink节点的距离di,sink小于一跳传输的最佳距离d1-hop时，簇头节点可以将数据直接发送至sink节点，一跳传输的最佳距离如下所示：
其中，γ是距离损耗系数，Eamp是功率放大的能量，Eelec是电路能量损耗，Ecpu是数据处理能耗；
(2)当di,sink＞d1-hop时，簇头节点则通过多跳的方式将数据发送至sink，其中下一跳节点通过构造一个多参数的代价函数来选择，该代价函数综合考虑候选下一跳簇头的温度、剩余能量、簇内成员的多少以及与sink的距离参数。
本发明所述节点i的剩余能量Eres(i)计算如下：
其中，E0(i)为节点的初始能量，t表示网络开始时间，n表示网络生存时间，Etx(t)为发送数据消耗的能量，Erx(t)为接收数据消耗的能量，EC(t)为数据融合消耗的能量，只有簇头节点执行数据融合功能会计算该部分能量，一般节点没有数据融合功能，默认该值为0。
本发明所述节点与sink节点之间的距离d(i)计算方式如下：
其中RSSI(d)和RSSI(d0)分别为接收端和发送端之间距离为d和d0接收到的接收信号强度值；n是路径损耗指数；Xσ是零均值的高斯随机变量。
本发明所述节点的入簇条件除就近原则外，还有：
(1)若节点当前保存的簇头信息表中只有一个簇头时，则直接向该簇头发送入簇的请求，由簇头同意后加入该簇群；
(2)若当前节点保存的簇头信息表中有两个或多个簇头信息时，除考虑就近原则之外，还要考虑簇头节点的剩余能量、当前簇内成员的数量参数，其选择函数S·F(i)的计算方法为：
选择S·F(i)值最大的节点入簇。
本发明所述簇头节点通过多跳的方式将数据发送至sink时，构造的代价函数，为：
计算簇头集合中节点的函数值，选择函数值最小的簇头成为最佳下一跳节点，其中Tem(i)、d(i)、CH(i)和Eres(i)分别表示候选下一跳节点的当前温度、与sink节点的距离、簇的大小和剩余能量参数，最佳下一跳节点的簇头具备温度较低、距离sink节点较近、簇内成员较少以及剩余能量较多的特点。
本发明的有益效果是：提出了一种基于非均匀分簇的多径路由协议(UC-MPRP)，该协议在非均匀分簇的基础上，构造用于数据传输的多径路由，将不同优先级的数据进行分类处理，簇间数据传输采用节点独立的多径路由协议，对于同样类型的数据传输，优先选择最佳路径进行传输，提高了数据传输的可靠性，同时避免了重启路由发现造成的延迟和数据重传造成了额外能耗；对于不同类型的数据传输，则在最优路径上优先传输紧急数据，在次优路径上同时传输一般数据，通过多径并行传输的方式，既能保证高优先级的数据的可靠传输，也能实现低优先级数据的及时传输，更能满足WBAN的实际需求。
附图说明
图1为本发明网络模型示意图；
图2为本发明多径路由建立过程示意图；
图3为本发明数据传输过程示意图；
图4为本发明非均匀分簇流程示意图；
图5为本发明簇头选择过程示意图；
图6为本发明节点选择簇群的过程示意图；
图7为本发明仿真实验中两种协议的网络平均丢包率对比图；
图8为本发明仿真试验中两种协议的网络寿命的分析对比图；
图9为本发明仿真实验中两种协议的能量效率的分析对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式(实施例)进行描述，使本领域的技术人员能够更好地理解本发明。
本发明的网络模型采用多跳的树形拓扑，假设网络由N个功能不同的传感器节点和1个sink节点组成，非均匀的分布在2m×2m的场地中，来模拟WBAN的应用场景。网络模型如图1所示，除此之外，对网络中的节点作以下假设：
1.节点放置后位置不变，初始能量相等，具备简单的信息处理能力，只允许簇头节使用数据融合技术；
2.节点可以根据接收信号强度(RSSI)的大小计算与源节点之间的距离，且可以根据传输距离控制自己的收发功率；
3.根据实际，不考虑sink节点的能量，且具备较强的计算能力和信息处理能力；
本发明的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议主要分为网络初始化、簇头的选择、节点入簇、多径路由建立和数据传输四个阶段，图2是该协议总的流程图。
一、网络初始化
在网络初始化阶段，sink节点向全网广播hello消息唤醒所有节点，网络中的节点接收到该消息后会立即更新sink节点的位置，并根据接收信号强度(RSSI)计算出与sink节点的距离并保存，节点在传输数据时将根据与sink的距离大小选择合适的路由方法。节点完成上述工作后，向网络中回复一个确认消息，该消息包括节点的ID、位置、剩余能量等信息。初始化阶段结束后，网络中所有节点都知道邻居节点的信息以及sink节点的位置。
二、簇头的选择
在分簇路由中，簇头除了负责簇内信息的收集、处理和发送，还负责转发其他簇头的信息到sink节点，簇头节点的能量消耗相比较普通节点要快得多。所以本协议规定候选的簇头节点不能由植入人体内部的节点担任，而在那些附着或者穿戴在人体表面的节点中产生。
在选择簇头时，评估候选簇头节点的相对剩余能量和与sink节点的距离参数。节点的剩余能量参数是首要的选择指标，剩余能量越多被选为簇头的概率就越高，节点i的剩余能量Eres(i)计算如下：
其中，E0(i)为节点的初始能量，Etx(t)为发送数据消耗的能量，Erx(t)为接收数据消耗的能量，EC(t)为数据融合消耗的能量，只有簇头节点执行数据融合功能会计算该部分能量，一般节点没有数据融合功能，默认该值为0。
为了减少由于距离较远而耗能较大的问题，选择簇头时要考虑节点与sink的距离，距离sink越近当选簇头的概率就越大。假设节点i与sink的距离为d(i)，本发明利用接收信号强度(RSSI)来测量节点与sink的距离，其计算如下：
其中RSSI(d)和RSSI(d0)分别为接收端和发送端之间距离为d和d0接收到的RSSI强度值；n是路径损耗指数；Xσ是零均值的高斯随机变量。
综合考虑以上两个节点参数进行簇头的选择，定义簇头选择函数为S(i)，如下式所示，
选择函数值最大的节点成为簇头，被选择成为簇头的节点具有剩余能量较多和距离sink较近的特点，簇头产生之后会形成一个簇头集合S-CH，网络中其他节点会自动转为普通节点。图3表示簇头选择过程。
为了实现非均匀分簇的目的，每个簇头节点都会计算自己的竞争半径Ri，该竞争半径综合考虑了节点与sink的距离、剩余能量以及邻居节点个数等参数，具体的计算公式如下：
其中α、β、γ为各参数的权重，且满足α+β+γ＝1，d为sink节点到部署区域的最远距离，di,sink为节点i到sink的距离，Xi和Yi分别为簇头i所处的位置坐标，Eres(i)为节点i的剩余能量，E0(i)为初始能量，ni为节点的i的邻居数，N为最大节点数，Rmax为节点的最大通信半径。
由公式可以看出，距离sink越近、剩余能量越低、邻居个数越多时该节点的通信半径越小，因此其成簇规模就越小。反正，距离sink越远，即网络边缘的节点，其剩余能量越高、邻居数越少则通信半径越大，此时其成簇的规模就越大，实现了非均匀分簇的目的。
为了减少簇头更换的频率，本发明协议为节点设置一个能量阈值Ehead-th，当节点的剩余能量大于该阈值时，可以连续担任簇头节点，直到该节点的剩余能量低于该阈值时，就退出簇头的竞争，换其他的节点担任该簇头。这样可以均衡网络节点的能量消耗，对于延长网络的工作寿命有重要的作用。
三、节点入簇
簇头节点选择成功后，会在自己的竞争半径Ri内向周围的网络中广播消息，宣布其当选为簇头的Head-ACK消息，在该通信范围内的其他节点接收到该消息后会储存这些信息并形成一个簇头信息表，如表1所示，然后等待加入合适的簇群。
表1节点保存的簇头信息表
Tab.4-1Cluster head information saved by nodes
传统的方法是普通节点根据就近原则随机加入簇群，其缺点是会造成一些簇的规模较大，一些簇的规模又太小，会导致簇头节点的能量消耗差距变大，加重网络能耗不均匀的问题。因此，为了解决以上问题，本协议综合考虑节点的入簇条件，除了基本的就近原则之外，还进行以下考虑：
(1)若节点当前保存的簇头信息表中只有一个簇头时，则直接向该簇头发送入簇的请求，由簇头同意后加入该簇群。
(2)若当前节点保存的簇头信息表中有两个或多个簇头信息时，除了考虑就近原则之外，还要考虑簇头节点的剩余能量，当前簇内成员的数量等参数，其选择函数S·F(i)的计算方法如以下公式所示：
选择剩余能量较多、簇内节点总数较少的簇群加入，均衡各个簇头的能耗，实现合理的非均匀分簇。节点选择簇群的流程如图4所示。
四、多径路由建立
经过以上三个阶段后，网络被分成了非均匀分布的簇群，然后开始数据的传输。具体的数据传输分为两步，簇内数据传输和簇间数据传输。簇内数据传输采用一跳路由的方式，簇内成员将采集到的信息直接发送至簇头节点，减少多跳带来的传输延迟和可能的数据丢失。簇间数据传输将采用多跳的方式，其中下一跳节点在簇头集合S-CH中产生，这样可以减少距离sink较远的簇头直接传输产生的巨大能耗，关于下一跳的选择方法具体介绍如下。
本协议在设计簇间路由时，优先选择多跳的方式来保证数据的可靠性传输，其中在选择下一跳节点时构造一个多参数的代价函数，计算簇头集合中节点的函数值，选择函数值最小的簇头成为最佳下一跳节点，该代价函数由以下公式表示：
其中Tem(i)、d(i)、CH(i)和Eres(i)分别表示候选下一跳节点的当前温度、与sink的距离，簇的大小和剩余能量参数。最佳下一跳节点的簇头具备温度较低、距离sink较近，簇内成员较少以及剩余能量较多的特点。
五、数据传输阶段
簇间多径路由的传输详细分为以下两种情况：
若当前簇头节点传输同样类型的数据，则按照最佳路径优先，次优路径为备选路径的方式进行数据的转发。当最优路径故障时，就立即切换至次优路径，提高了数据传输的可靠性，同时避免了重启路由发现造成的延迟和数据重传造成了额外能耗。
若当前簇头节点传输不同类型的数据，则在最优路径上优先传输紧急数据，在次优路径上同时传输一般数据。通过多径并行传输的方式，既能保证高优先级的数据的可靠传输，也能实现低优先级数据的及时传输，更能满足WBAN的实际需求。
构造代价函数时，考虑节点的温度参数是因为传感器节点应用在人体身上，有些节点甚至部署在重要的器官上，而节点本身在通信时产生的热量会灼伤人体，所以必须将温度参数考虑在内，选择温度较低的簇头担任下一跳。另外，选择簇内成员较少的簇头是为了均衡簇之间的能耗，减少簇成员较多的簇头的转发负担。表2是具体的簇间多跳路由过程。
表2簇间多跳路由过程
仿真及性能评估
在MATLAB平台上对本发明所提出的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议(以下简称UC-MPRP协议)进行实验仿真，为了验证UC-MPRP协议的性能，本文与ECC-DSR协议进行对比，分别从可靠性和网络能耗等方面进行验证。
(1)仿真环境和参数
本发明所提出的UC-MPRP协议在MATLAB平台进行仿真实验，网络节点的部署如图1所示，节点部署之后其位置不再发生改变，路径采用随机丢包模型。具体的参数设置如下表3所示。
表3：仿真参数设置
(2)仿真结果分析
在同样的仿真环境和参数的情况下，将对本文提出的UC-MPRP协议与ECC-DSR协议进行比较。
1.可靠性传输
通过仿真网络的平均丢包率的大小来验证协议的可靠性。随机抽取以下两个时间点的平均丢包率，如图7所示，从图中可以看出本文提出的UC-MPRP的平均丢包率小于ECC-DSR协议，换言之，UC-MPRP协议在支持数据的可靠性传输方面优于ECC-DSR协议。因为UC-MPRP协议是在网络分簇的基础上进行了多径路由传输，被选择的簇头节点在能量和可靠性方面均优于一般的节点，在多径路由传输时，按照数据的优先级选择合适的传输路径，若最佳路径故障就立即切换至次优路径，大大地提高了数据传输的可靠性。而ECC-DSR协议没有考虑数据的异构性和分类处理，只是简单地通过计算路径的代价来选择合适的传输路径。所以，在保证数据的可靠性传输方面，本文提出的UC-MPRP协议表现出良好的性能。
2.网络寿命
网络寿命是衡量一个协议综合性能的重要指标，单位是轮。图8是两个协议关于网络寿命的比较，可以看出，本文提出的UC-MPRP的网络寿命大于ECC-DSR协议。因为本文在进行路由协议设计时，采用非均匀分簇的方法将网络节点划分成非均匀分布的簇群，距离sink越近其成簇的规模就越小，反之则越大，有效地均衡了网络中心节点和边缘节点的能量消耗。另外，UC-MPRP协议采用多径路由的传输方法，使得网络中更多的节点参与数据的转发任务，进一步均衡了网络的能耗，延长网络的寿命。而ECC-DSR协议在设计多径路由时，通过代价函数来选择能耗最小的路径作为最佳传输路径，导致网络中节点的能耗不均匀，进而影响网络的工作寿命。
3.能量效率
网络节点的能量利用效率是评价协议性能优劣的重要指标。图9是两个协议关于网络节点的能量利用效率方面的比较，可以看出UC-MPRP协议在节点的能量利用效率方面优于ECC-DSR协议。因为UC-MPRP协议将网络中的节点进行了非均匀的分簇，簇头选择时也考虑了节点的剩余能量参数，簇间构造多路径时综合考虑了节点的温度、剩余能量、簇群的大小和与sink的距离等参数，有效地提高了节点的能量利用效率，延长了网络寿命。而ECC-DSR协议的节点能量利用效率较低，是因为该协议选择能耗代价最小的路径作为最佳传输路径，会导致网络中某些节点频繁担任中继，导致其能量消耗过快提前死亡，影响网络的连通性。所以，在网络的能量利用效率方面，UC-MPRP协议更胜一筹。
Claims (7)
1.WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，其特征在于：包括以下3个阶段：
一、非均匀分簇：按照非均匀分簇的方法，将网络中的节点分成非均匀分布的簇群；
二、建立多径路由：簇内节点采用一跳的方式将数据发送至簇头，簇头节点对簇内成员发送来的数据进行融合处理，然后通过多跳的方式转发至sink节点，其中下一跳节点在簇头集合S-CH中产生；
三、数据传输阶段：将不同优先级的数据进行分类处理，簇间数据传输采用节点独立的多径路由，簇间多径路由的传输分为以下两种情况：
(1)若当前簇头节点传输同样类型的数据，则按照最佳路径优先，次优路径为备选路径的方式进行数据的转发，当最优路径故障时，就立即切换至次优路径，；
(2)若当前簇头节点传输不同类型的数据，则在最优路径上优先传输紧急数据，在次优路径上同时传输一般数据。
2.根据权利要求1所述的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，其特征在于：所述阶段一种按照非均匀分簇的方法将网络中的节点分成非均匀分布的簇群的方法包括以下三个步骤：
(1)网络初始化：在网络初始化阶段，sink节点向全网广播hello消息唤醒所有节点，网络中的节点接收到该消息后立即更新sink节点的位置，并根据接收信号强度计算出与sink节点的距离并保存，节点在传输数据时根据与sink的距离大小选择合适的路由方法，节点完成上述工作后，向网络中回复一个确认消息，该消息包括节点的ID、位置、剩余能量信息，初始化阶段结束后，网络中所有节点都知道邻居节点的信息以及sink节点的位置；
(2)簇头的选择：选择簇头时，评估候选簇头节点的相对剩余能量Eres(i)和候选簇头节点与sink节点的距离d(i)两个参数，综合两个参数进行簇头的选择，具体为：定义簇头选择函数S(i)，
选择函数值最大的节点作为簇头，被选择成为簇头的节点具有剩余能量较多和距离sink节点较近的特点，簇头产生之后会形成一个簇头集合S-CH，网络中其他节点会自动转为普通节点；
(3)节点入簇：簇头节点选择成功后，会在自己的竞争半径Ri内向周围的网络中广播消息，宣布其当选为簇头的Head-ACK消息，在该通信范围内的其他节点接收到该消息后会储存这些信息并形成一个簇头信息表，然后等待加入合适的簇群。
3.根据权利要求1所述的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，其特征在于：所述阶段二中建立多径路由时下一跳节点的选择方法具体为：
(1)当簇头节点与sink节点的距离di,sink小于一跳传输的最佳距离d1-hop时，簇头节点可以将数据直接发送至sink节点，一跳传输的最佳距离如下所示：
其中，γ是距离损耗系数，Eamp是功率放大的能量，Eelec是电路能量损耗，Ecpu是数据处理能耗；
(2)当di,sink＞d1-hop时，簇头节点则通过多跳的方式将数据发送至sink，其中下一跳节点通过构造一个多参数的代价函数来选择，该代价函数综合考虑候选下一跳簇头的温度、剩余能量、簇内成员的多少以及与sink的距离参数。
4.根据权利要求2所述的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，其特征在于：所述节点i的剩余能量Eres(i)计算如下：
其中，E0(i)为节点的初始能量，t表示网络开始时间，n表示网络生存时间，Etx(t)为发送数据消耗的能量，Erx(t)为接收数据消耗的能量，EC(t)为数据融合消耗的能量，只有簇头节点执行数据融合功能会计算该部分能量，一般节点没有数据融合功能，默认该值为0。
5.根据权利要求2所述的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，其特征在于：所述节点与sink节点之间的距离d(i)计算方式如下：
其中RSSI(d)和RSSI(d0)分别为接收端和发送端之间距离为d和d0接收到的接收信号强度值；n是路径损耗指数；Xσ是零均值的高斯随机变量。
6.根据权利要求2所述的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，其特征在于：所述节点的入簇条件除就近原则外，还有：
(1)若节点当前保存的簇头信息表中只有一个簇头时，则直接向该簇头发送入簇的请求，由簇头同意后加入该簇群；
(2)若当前节点保存的簇头信息表中有两个或多个簇头信息时，除考虑就近原则之外，还要考虑簇头节点的剩余能量、当前簇内成员的数量参数，其选择函数S·F(i)的计算方法为：
选择S·F(i)值最大的节点入簇。
7.根据权利要求3所述的WBAN中基于非均匀分簇的多径路由协议，其特征在于：所述簇头节点通过多跳的方式将数据发送至sink时，构造的代价函数，为：
计算簇头集合中节点的函数值，选择函数值最小的簇头成为最佳下一跳节点，其中Tem(i)、d(i)、CH(i)和Eres(i)分别表示候选下一跳节点的当前温度、与sink节点的距离、簇的大小和剩余能量参数，最佳下一跳节点的簇头具备温度较低、距离sink节点较近、簇内成员较少以及剩余能量较多的特点。
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| CN114079969B (zh) * | 2021-08-16 | 2023-11-28 | 珠海市杰理科技股份有限公司 | 数据传输方法及装置、可读存储介质、节点设备 |
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Application publication date: 20200818 Assignee: CARSEN TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: HENAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980049329 Denomination of invention: A Multipath Routing Protocol Based on Non Uniform Clustering in WBAN Granted publication date: 20230801 License type: Common License Record date: 20231206 |