CN111836225B - 面向无线传感器网络的群集-链式混合数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向无线传感器网络的群集‑链式混合数据传输方法，包括：(1)围绕网络终端将整个网络划分为多层次方形结构；(2)在每个内层区域中使用群集传输方法建立数据传输系统；(3)在每个外层区域内使用链式传输方法建立数据传输系统；(4)使用多跳技术将数据由簇头、链头节点传输至网络终端。本发明集成了多层次网络划分、群集传输方法、链式传输方法、多跳传输等无线数据传递技术，较传统的无线网络数据传输方法(LBECP，LEACH，TCAC，DSBCA等)具有低能耗、长寿命的优点。

Description

面向无线传感器网络的群集-链式混合数据传输方法
技术领域
本发明涉及数据传输方法，特别涉及面向无线传感器网络的群集-链式混合数据传输方法。
背景技术
为了保障土木工程结构的安全性和可操作性，许多土木工程上安装了结构健康监测系统。传统的结构健康监测系统利用导线传输数据，这些系统具有如下的不足：(1)价格昂贵；(2)安装效率低；(3)信号传输易受环境和人工干扰；(4)传感器布设不灵活。首先，大型土木工程结构的结构健康监测系统中，传感器与网络终端距离通常较长，因此，连接传感器与网络终端的电缆线耗资大；其次，安装导线费时费力，通常安装导线和电线的时间约占建立结构健康监测系统总时间的75％；第三，较无线传感器网络，有线结构健康监测系统由更多的独立构件组成，因此，更易受环境和人工的干扰。数据长距离传输、导线温度改变、传感器和导线连接部位失效都会造成采集到数据的失真；第四，通常传感器和导线以点对点的方式连接，一条导线仅服务于一个传感器。对于一个已建立的有线传感器网络，如要增加传感器或变动传感器位置，工程人员必须相应地布设新的导线，这大大增加了更改传感器网络的工作量。为了解决上述问题，工程人员尝试建立面向土木工程结构健康监测的无线传感器网络。然而，大多数安装于土木工程的无线传感器网络采用了传统的数据传输方法(LBECP，LEACH，TCAC，DSBCA等)，不能满足面向土木工程结构健康监测无线传感器网络的低能耗、长寿命的需求。
此外，传统的无线网络数据传输方法能耗高，寿命短，例如，LEACH方法在数据传输的过程中不能基于节点的剩余能量调整数据传输体系，无法通过簇头数量及分布的优化节约能耗；对于HEED方法，在选择簇头的过程中，每个节点都需要向相邻节点连续传输固定长度的数据，造成通信能耗大；链式方法存在链头不可变更，寿命短的问题；若将URCA方法应用于大型无线传感器网络，则最外层集群规模大，群内通信距离长、能耗大；任务平衡低能耗群集方法同样存在外部区域尺寸大，簇头通信负担重、寿命短的问题；UCR方法的缺点同样是通信能耗高，这是由于为了选择簇头节点，每个普通节点在每一轮次都要传输和接受大量的信息。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供面向无线传感器网络的群集-链式混合数据传输方法
技术方案：本发明提供一种面向无线传感器网络的群集-链式混合数据传输方法，包括如下步骤：
(1)围绕网络终端将整个网络划分为多层次方形结构；
(2)在每个内层区域中使用群集传输方法建立数据传输系统；
(3)在每个外层区域内使用链式传输方法建立数据传输系统；
(4)使用多跳技术将数据由簇头、链头节点传输至网络终端。
进一步地，所述步骤(1)划分的方法为：
a、按距离网络终端的远近将网络区域分层；
b、将各层沿环向分别划分为若干小区域。
进一步地，所述步骤(2)建立数据传输系统的方法为：
a、计算内层区域内节点的基本信息(与网络终端的距离，节点能量，邻近节点数目等)，基于各节点的基本信息选定一个无线传感器作为簇头节点；
b、为了缓解簇头节点的数据传输负担，基于节点的基本信息再选择区域内另一个无线传感器作为领导节点；
c、簇头节点和领导节点分别向区域内的所有节点发送广告信号，区域内的普通节点依据接受到广告信号的强度程度，选择将所采集到的数据传输给簇头节点或领导节点；
d、领导节点负责收集并融合邻近节点传输的数据，并把数据传输给簇头节点。
进一步地，所述簇头节点的选取基于簇头节点函数FCH，各节点的FCH通过(1)式计算：
Figure BDA0002512274570000021
式中，w1、w2和w3为权重系数，它们在(0，1)范围，三个权重系数之和为1；Ndeg为节点的度数；Er为节点的剩余能量；dBS为节点与网络终端的距离，Ndeg可以利用(2)式计算：
Ndeg＝nj/max[n1，n2，n3，...，nN] (2)
式中，nj为节点j周围一定范围内邻近节点的数量，当计算出区域内所有节点的FCH值后，选取FCH值最大的节点为该区域的簇头节点。
进一步地，所述领导节点的选取基于领导节点函数FLN，除簇头节点外区域内各节点的FLN通过(3)式计算：
FLN＝α*Er+β*Ndeg+γ*dCH (3)
式中，α，β和γ为权重系数，在(0，1)范围，三个权重系数之和为1；Ndeg为节点的度数；Er为节点的剩余能量；dCH为节点与簇头的距离，当计算出区域内除簇头节点外所有节点的FLN值后，选取FLN值最大的节点为该区域的领导节点。
进一步地，所述步骤(3)建立数据传输系统的方法为：
a、计算每个外层区域内节点的基本信息，选择一个最靠近网络终端且具有最多剩余能量的无线传感器作为链头；
b、每个外层区域内，实测信息由距离链头最远的节点传递给相邻靠近链头的节点，并一级一级传递至链头。
进一步地，所述步骤(4)的传输方法为：
a、外层区域的链头节点融合接收到的数据，并将数据传输给内层区域的簇头节点；
b、内层区域的簇头节点融合接收到的数据，并将数据传输至网络终端。
有益效果：本发明本发明集成了多层次网络划分、群集传输方法、链式传输方法、多跳传输等无线数据传递技术，较传统的无线网络数据传输方法(LBECP，LEACH，TCAC，DSBCA等)具有低能耗、长寿命的优点。
附图说明
图1为本发明实施例中的网络结构模型图；
图2为本发明实施例中的网络数据传输示意图；
图3为本发明实施例中的仿真实验的存活节点个数图；
图4为本发明实施例中的仿真实验的首、末节点死亡轮数图；
图5为本发明实施例中的仿真实验的网络总剩余能量图；
图6为本发明实施例中的仿真实验的发送至网络终端的总数据包数图；
图7为本发明实施例中的仿真实验的不同分布范围下的网络寿命示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，并基于MATLAB平台对本技术方法进行仿真实验，对比本方法与传统无线网络数据传输方法。
本实施例的面向无线传感器网络的低能耗群集-链式混合数据传输方法，包括以下步骤：
(1)围绕位于(150，150)m的终端将面积为300x300m2的内含500个均匀分布的无线传感器的网络划分为三层次方形结构，通过划分使得靠近终端的区域尺寸较小，随着区域与终端的间距增加，区域尺寸增大，该网络结构模型显示为图1；
(2)在两个内层(第一层、第二层)的16个区域中分别使用群集传输方法建立数据传输系统，具体方法如下：
首先，根据区域内N个节点的基本信息选定一个无线传感器作为簇头节点。簇头节点的选取基于簇头节点函数FCH，各节点的FCH通过(1)式计算：
Figure BDA0002512274570000031
式中，w1，w2和w3为权重系数，它们在(0，1)范围，三个权重系数之和为1；Ndeg为节点的度数；Er为节点的剩余能量；dBS为节点与网络终端的距离。Ndeg可以利用(2)式计算：
Ndeg＝nj/max[n1，n2，n3，...，nN] (2)
式中，nj为节点j周围一定范围内邻近节点的数量。当计算出区域内所有节点的FCH值后，选取FCH值最大的节点为该区域的簇头节点；
其次，再选择另一个无线传感器作为领导节点。领导节点的选取基于领导节点函数FLN，除簇头节点外区域内各节点的FLN通过(3)式计算：
FLN＝α*Er+β*Ndeg+γ*dCH (3)
式中，α，β和γ为权重系数，它们在(0，1)范围，三个权重系数之和为1；Ndeg为节点的度数；Er为节点的剩余能量；dCH为节点与簇头的距离。当计算出区域内除簇头节点外所有节点的FLN值后，选取FLN值最大的节点为该区域的领导节点；再其次，簇头节点和领导节点分别向区域内的所有节点发送包含它们身份信息的广告信号，区域内的普通节点依据接受到广告信号的强度程度，选择将所采集到的数据传输给簇头节点或领导节点，并把决定发送给簇头节点或领导节点。收到普通节点传来的决定后，簇头节点和领导节点分别计算区域内与其关联节点的数目，并建立TDMA时间表，并把TDMA时间表发送给所有与其关联的节点。通过TDMA时间表，每个普通节点可以获取其传输信号给簇头节点或领导节点的规定时段；再其次，领导节点收集并融合除将数据直接传输给簇头节点外区域内所有节点获取的实测信号，并把融合后的数据传输给簇头节点，簇头节点负责融合区域内所有节点的采集到的数据。该网络数据传输示意图显示为图2；
(3)在外层(第三层)的8个区域中分别使用类似于PEGASIS方法的链式传输方法建立数据传输系统，具体方法如下：
首先，根据各个节点的基本信息选择一个最靠近网络终端且具有最多剩余能量的无线传感器作为链头；其次，实测数据由距离链头最远的节点A传递给相邻靠近链头的节点B。节点B负责将由节点A传来的信号与自身采集的信号融合为一个长度固定的数据包，并将融合后的数据包传递给相邻更靠近链头的节点C。这样，实测信息被一级一级融合并传递至链头，链头节点负责融合区域内所有节点的采集到的数据。该网络数据传输示意图显示为图2；
(4)使用多跳技术将数据从外层区域的链头节点传输给内层区域的簇头节点，直到网络终端。该网络数据传输示意图显示为图2。
通过基于MATLAB平台的仿真实验，将本发明方法与传统无线网络数据传输方法LBECP，LEACH，TCAC，DSBCA进行比对。在相同的测试环境下，对比这五种方法不同轮数下的存活节点数，首节点死亡轮数，终节点死亡轮数，不同轮数下的网络总剩余能量，不同轮数下发送至网络终端的总数据包数等。仿真实验的具体参数见表1。
表1测试参数
Figure BDA0002512274570000051
本实例的实验结果如下：
1.由附图3可知，随着数据传输轮数的增加，本发明提出的低能耗群集-链式混合数据传输方法较其它四种方法在相同时间下存活的节点个数更多，即节点存活时间更久。
2.由附图4可知，本发明提出方法的首节点死亡时间较LEACH方法长91％，较LBECP方法长10％，较TCAC方法长67％，较DSBCA方法长33％，这表明本方法的稳定数据传输时间最长；本发明提出方法的末节点死亡时间较LEACH方法长44％，较LBECP方法长58％，较TCAC方法长57％，较DSBCA方法长79％，这表明本方法将数据传输任务均匀地分配给整个网络中的无线传感器，有效地解决了局部区域热点问题。
3.由附图5可知，本发明提出的方法在进行数据传输的过程中，无线传感器网络的总剩余能量在相同时刻明显高于其它四种方法，说明本方法的低能耗特点。
4.由附图6可知，在五种方法中，随着数据传输轮数的增加，本发明提出的方法发送至网络终端的总数据包数最多，数据丢包率最低，这说明了本方法可靠性最好。
5.由附图7可知，节点分布范围(A)由300x300m2变为200x200m2或100x100m2后，采用本发明提出方法的网络寿命不发生明显变化，这说明本方法的收缩扩展性较好。

Claims (1)

1.一种面向无线传感器网络的群集-链式混合数据传输方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)围绕网络终端将整个网络划分为多层次方形结构；
(2)在每个内层区域中使用群集传输方法建立数据传输系统；
(3)在每个外层区域内使用链式传输方法建立数据传输系统；
(4)使用多跳技术将数据由簇头、链头节点传输至网络终端，
所述步骤(1)划分的方法为：
a、按距离网络终端的远近将网络区域分层；
b、将各层沿环向分别划分为若干小区域，
所述步骤(2)建立数据传输系统的方法为：
a、计算内层区域内节点的基本信息，基于各节点的基本信息选定一个无线传感器作为簇头节点；
b、为了缓解簇头节点的数据传输负担，基于节点的基本信息再选择区域内另一个无线传感器作为领导节点；
c、簇头节点和领导节点分别向区域内的所有节点发送广告信号，区域内的普通节点依据接受到广告信号的强度程度，选择将所采集到的数据传输给簇头节点或领导节点；
d、领导节点负责收集并融合邻近节点传输的数据，并把数据传输给簇头节点，
所述簇头节点的选取基于簇头节点函数FCH，各节点的FCH通过(1)式计算：
Figure FDA0003983091790000011
式中，w1、w2和w3为权重系数，它们在(0，1)范围，三个权重系数之和为1；Ndeg为节点的度数；Er为节点的剩余能量；dBS为节点与网络终端的距离，Ndeg可以利用(2)式计算：
Ndeg＝nj/max[n1，n2，n3，...，nN] (2)
式中，nj为节点j周围一定范围内邻近节点的数量，当计算出区域内所有节点的FCH值后，选取FCH值最大的节点为该区域的簇头节点，
所述领导节点的选取基于领导节点函数FLN，除簇头节点外区域内各节点的FLN通过(3)式计算：
FLN＝α*Er+β*Ndeg+γ*dCH (3)
式中，α，β和γ为权重系数，在(0，1)范围，三个权重系数之和为1；Ndeg为节点的度数；Er为节点的剩余能量；dCH为节点与簇头的距离，当计算出区域内除簇头节点外所有节点的FLN值后，选取FLN值最大的节点为该区域的领导节点，
所述步骤(3)建立数据传输系统的方法为：
a、计算每个外层区域内节点的基本信息，选择一个最靠近网络终端且具有最多剩余能量的无线传感器作为链头；
b、每个外层区域内，实测信息由距离链头最远的节点传递给相邻靠近链头的节点，并一级一级传递至链头，
所述步骤(4)的传输方法为：
a、外层区域的链头节点融合接收到的数据，并将数据传输给内层区域的簇头节点；
b、内层区域的簇头节点融合接收到的数据，并将数据传输至网络终端。
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CN113311059B (zh) * 2021-04-02 2022-10-21 国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司 一种基于物联网技术的接地网腐蚀检测与定位方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101895956B (zh) * 2010-08-05 2012-10-17 中国兵器工业第二〇五研究所 多层分布式无线传感器网络数据传输方法
CN104853395B (zh) * 2014-12-16 2018-10-23 黄伟 一种多感知不等半径无线传感网络路由实现方法
CN104410997B (zh) * 2014-12-29 2017-11-17 重庆邮电大学 一种用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法
CN106304235A (zh) * 2016-08-22 2017-01-04 广东工业大学 一种wsn中基于等级区域划分的协作式分簇路由通信方法
CN108882258B (zh) * 2018-09-18 2021-07-27 天津理工大学 一种面向无线传感器网络的近邻轮转层次分簇方法
CN110381460A (zh) * 2019-06-28 2019-10-25 重庆工商职业学院 一种基于无线传感网络的森林监控方法

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