CN112188584B - 基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法和系统 - Google Patents

基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法和系统，缓解簇头负载过重的问题；该方法包括初始阶段、簇建立阶段、重心簇头选举与多跳路由形成阶段、数据传输阶段。在簇建立阶段，考虑节点剩余能量，利用聚类算法将整个网络区域的节点划分为若干个簇，在各分簇中选举簇头节点；根据重心法从簇头节点中选取重心簇头节点，将其余簇头节点分区后，根据到重心簇头节点距离形成左分区优化多跳路由和右分区优化多跳路由；簇内节点发送数据到簇头节点，簇头节点经多跳路由向重心簇头节点发送数据，重心簇头融合所有数据后发送至汇聚节点。该系统包括汇聚节点及由上述方法选出的簇头节点和重心簇头节点。

Description

基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法和系统
技术领域
本发明属于无线传感网络技术，具体涉及一种基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法和系统。
背景技术
无线传感器网络广泛应用于军事国防、环境监测、医疗健康、农业监控、交通监管、民生服务等领域。无线传感器网络由大量部署于监测区域内的传感器节点组成，各节点通过无线通信方式形成一个自组织的网络。各传感器节点能感知监测对象的信息，收集相关数据，发送至汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送至用户端，从而实现对目标区域的监控。
传感器节点的能量十分有限，一般部署在环境恶劣、无人值守的区域，节点一旦部署后就不再更换或补充能量，因此，无线传感器网络的设计首要考虑能量合理利用和网络能量消耗均衡问题。根据文献可知，分层路由协议可以更好地节省网络能量消耗，延长网络的生命周期。在分层路由协议中，节点分为簇内节点和簇头节点，簇内节点用于感知数据，簇头节点用于收集簇内节点的数据，经数据融合后转发到汇聚节点。经典的分层路由协议是LEACH协议。
在LEACH协议中，随机选取簇头节点，没有考虑节点的剩余能量，当节点能量较低当选为簇头时，容易造成节点能量消耗过快而过早死亡。LEACH-E协议对LEACH作了改进，在选举簇头时，考虑节点的剩余能量，当节点剩余能量大于平均值，才有资格成为簇头节点。LEACH和LEACH-E协议在数据传输阶段，簇头节点收集簇内数据后，以单跳方式直接向汇聚节点传送数据，当汇聚节点位于较远处时，容易耗能较多，进而影响了整个网络的生命周期和稳定性。
发明内容
针对现有技术中单跳分簇路由算法簇头负载过重，能量消耗不均衡而加快网络死亡问题，本发明提出一种基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法和系统，能有效节省能量，缓解簇头负载过重问题，提高网络能量利用率，以达到延长网络生命周期和增强网络稳定性的目的。
为实现上述目的，本发明通过以下技术手段实现：
本发明的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，其包括以下步骤：
在无线传感器网络中设置有汇聚节点和若干相互独立的分簇；所述分簇包括一簇头节点和若干个无线传感器节点，所述无线传感器节点分散布局以监测所在区域内的信息，并将采集数据发送至该分簇的簇头节点；
基于重心法，在众分簇的簇头节点中选择出重心簇头节点；所述重心簇头节点与汇聚节点连接通讯，其将各簇头节点向其发送的数据融合后向汇聚节点发送；所述簇头节点经多跳路由向重心簇头节点发送数据。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法包括簇头节点选择步骤：
所有存活的无线传感器节点发送其位置信息和能量水平到汇聚节点，汇聚节点计算出所有存活的无线传感器节点的平均能量值；如若无线传感器节点剩余能量大于平均能量值，则其成为候选簇头节点；否则，在此轮中不当选为簇头；
由列为候选簇头节点的无线传感器节点分别产生[0,1]的随机数，当随机数小于阈值T’(n)且在前面1/p轮中未当选过簇头的，则在此轮中选举为簇头节点；其中，p为候选簇头节点所占比例；
由LEACH协议的最优簇头数量计算公式确定网络中簇头节点的最优个数，即作为网络的最优分簇数量kopt。
于本发明的一个或多个实施例当中，在所述簇头节点选择步骤中，阈值T’(n)由公式(1)计算获得；
Figure BDA0002684884390000031
p为候选簇头节点所占比例，r为当前轮次，Ei为节点剩余能量，Eaver为所有存活节点的能量平均值，G为最近1/p轮未当选过簇头节点的无线传感器节点集合。
于本发明的一个或多个实施例当中，在所述簇头节点选择步骤中，最优分簇数量kopt由公式(2)计算获得；
Figure BDA0002684884390000032
N为网络中无线传感器节点的总数，εfs为自由空间传播模型的发射能耗系数，εmp为多路径衰减传播模型的发射能耗系数，M为正方形区域的边长，dtoBS为簇头节点到汇聚节点的距离期望值。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法包括在众分簇的簇头节点中选择出重心簇头节点的步骤：
计算重心值；
根据重心值公式计算在此轮中选举出来k个簇头节点的重心值Wi(i＝1，2，…，k)，重心值Wi由公式(3)计算获得；
Figure BDA0002684884390000041
Ei为簇头节点的剩余能量，E0为簇头节点的初始能量，NEAR为离汇聚节点最近的无线传感器节点，dNEARtoBS为NEAR到汇聚节点的距离，dCHtoBS为各簇头节点到汇聚节点的距离，dMINtoNEAR为所有簇头节点到NEAR距离的最小值，dCHtoNEAR为各簇头节点到NEAR的距离；
选出重心簇头节点；
从Wi(i＝1，2，…，k)中找出最大值Wmax；重心值为最大值Wmax的簇头节点，在此轮中当选为重心簇头CHweight。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法包括形成到重点簇头节点的多跳路由的步骤，其中包括：
分区步骤；
以重心簇头节点到X轴的垂直线为轴，将所有簇头节点分为左多跳路由分区集合CHleft、右多跳路由分区集合CHright；
左多跳路由形成步骤；
设左多跳路由分区集合CHleft有i个簇头节点，以重心簇头节点CHweight为起点，在左多跳路由分区中找到最近簇头节点CHleft1，以簇头节点CHleft1为起点，在左多跳路由分区中找到除簇头节点CHleft1之外最近簇头节点CHleft2，以簇头节点CHleft2为起点，在左多跳路由分区中找到除簇头节点CHleft1、簇头节点CHleft2之外最近簇头节点CHleft3，直到遍历左多跳路由分区集合CHleft内所有的簇头节点为止；以最后簇头节点CHlefti为起点，形成到重心簇头节点CHweight的左分区反向优化多跳路由；
右多跳路由形成步骤；
设右多跳路由分区集合CHright有j个簇头节点，以重心簇头CHweight为起点，在右多跳路由分区中找到最近簇头节点CHright1，以簇头节点CHright1为起点，在右多跳路由分区中找到除簇头节点CHright1之外最近簇头节点CHright2，以簇头节点CHright2为起点，在右多跳路由分区中找到除簇头节点CHright1、簇头节点CHright2之外最近簇头节点CHright3，直到遍历右多跳路由分区集合CHright内所有的簇头节点为止；以最后簇头节点CHrightj为起点，形成到重心簇头节点CHweight的右分区反向优化多跳路由。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法包括数据传输步骤：
所述分簇的各簇内节点根据簇头节点发送的TDMA调度表，在其时间点内向簇头节点发送数据；簇头节点融合各簇内节点的数据，并依照到重心簇头节点的多跳路由向下一跳簇头节点或重心簇头节点发送数据；重心簇头节点收集所有数据，融合后再发送到汇聚节点。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法包括网络初始化步骤：
在M*M的正方形监测区域内随机分布N个无线传感器节点，无线传感器节点的ID编号分别为1-N，所有无线传感器节点的初始能量相同；
所述汇聚节点在远离监测区域的远端部署，其能量不受限制。
本发明的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇系统，其包括：
汇聚节点和若干相互独立的分簇，所述分簇包括若干个于监测区域内分散布局的无线传感器节点；所述无线传感器节点中包括依权利要求1-8任意一项所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法选定的簇头节点和重心簇头节点；
所述簇头节点与其所在分簇内的其余无线传感器节点连接并接收无线传感器节点发送的数据，所述簇头节点与重心簇头节点连接并经多跳路由向其发送数据；
所述重心簇头节点与汇聚节点连接通讯，其将各簇头节点向其发送的数据、以及其自身所在分簇的其余无线传感器节点向其发送的数据融合后向汇聚节点发送。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述监测区域为正方形监测区域，所有无线传感器节点的初始能量相同，所述汇聚节点在远离监测区域的远端部署，其能量不受限制。
本发明的有益效果是：根据重心法在簇头中选择出直接与汇聚节点通信的重心簇头，缓解簇头负载过重的问题，均衡了网络能量消耗，避免簇头因能耗过高而快速死亡，充分利用各节点能量，从而提高了网络生命周期和网络稳定周期，具有较佳的技术性和实用性，适合推广应用。
附图说明
图1是本发明的无线传感器网络结构原理图；
图2是本发明所述算法流程图；
图3是本发明的无线传感器网络节点随机分布示例图；
图4是本发明所述重心簇头选举与多跳路由形成过程流程图；
图5是本发明所述重心簇头与其余簇头通信仿真图；
图6是本发明与LEACH、LEACH-E协议的网络生存时间对比图；
图7是本发明与LEACH、LEACH-E协议的网络能量消耗对比图；
图8是本发明与LEACH、LEACH-E协议的向汇聚节点发送数据量对比图。
具体实施方式
如下结合附图1至8对本申请方案作进一步描述：
本发明的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法适用于分簇的大规模无线传感器网络；
如图1所示，无线传感器网络包括若干个独立的分簇1和汇聚节点2；所述汇聚节点2位于监测区域以外的远处；所述分簇1各有一个簇头节点101，其中一个簇头节点101当选为重心簇头节点10；分簇1位于监测区域内，包含若干个无线传感器节点102；无线传感器节点102用于监测区域内信息，完成数据采集；簇内的无线传感器节点102向簇头节点101发送数据；簇头节点101融合簇内数据后，经多跳路由向重心簇头节点10发送数据；重心簇头节点10融合所有簇头节点101的数据，向汇聚节点2发送数据。
本发明提出一种基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，根据重心法在簇头节点101中选择出直接与汇聚节点2通信的重心簇头节点10，缓解簇头负载过重的问题，均衡了网络能量消耗，避免簇头节点101因能耗过高而快速死亡，从而提高了网络生命周期和网络稳定周期。
本发明算法流程图如图2所示，分为四个阶段：初始阶段、簇建立阶段、重心簇头选举与多跳路由形成阶段、数据传输阶段，其具体实施方式如下：
一、初始阶段
首先进行网络初始化，如图3所示，“▲”为汇聚节点，“○”为无线传感器节点。在100×100m2的正方形监测区域内随机分布100个无线传感器节点，所有无线传感器节点初始能量相同，均为0.5J，无线传感器节点的ID编号为1～100。汇聚节点部署在远离网络区域的坐标(50，200)处，能量不受限制，可以处理大量数据。
二、簇建立阶段
各存活无线传感器节点发送位置信息和能量水平到汇聚节点，汇聚节点计算出所有存活无线传感器节点的平均能量；如果无线传感器节点剩余能量大于平均能量值，则成为候选簇头节点，否则，此轮中不当选为簇头节点；无线传感器节点产生[0,1]的随机数小于阈值T’(n)且在前面1/p轮中未当选过簇头的，则在此轮中选举为簇头节点。其中：
Figure BDA0002684884390000081
p为候选簇头节点的比例，r为当前轮次，Ei为节点剩余能量，Eaver为所有存活节点的能量平均值，G为最近1/p轮未当选过簇头节点的节点集合。
由LEACH协议的最优簇头数量计算公式(2)确定无线传感器网络中簇头的最优个数，作为网络的最优分簇数量kopt。
Figure BDA0002684884390000082
N为网络中节点总数，εfs为自由空间传播模型的发射能耗系数，εmp为多路径衰减传播模型的发射能耗系数，M为正方形区域的边长，dtoBS为簇头到汇聚节点的距离期望值。
三、重心簇头选举与多跳路由形成阶段
如图4所示，重心簇头选举与多跳路由形成的过程如下：
①计算重心值：根据公式(3)计算此轮中选举出来k个簇头的重心值Wi(i＝1，2，…，k)；
Figure BDA0002684884390000091
Ei为簇头节点的剩余能量，E0为簇头节点的初始能量，NEAR为离汇聚节点最近的无线传感器节点，dNEARtoBS为NEAR到汇聚节点的距离，dCHtoBS为各簇头节点到汇聚节点的距离，dMINtoNEAR为所有簇头节点到NEAR距离的最小值，dCHtoNEAR为各簇头节点到NEAR的距离。
②选出重心簇头：从Wi(i＝1，2，…，k)中找出最大值Wmax；重心值为最大值Wmax的簇头，在此轮中当选为重心簇头CHweight；如图5所示，“□”为重心簇头节点。
③分区：以重心簇头节点到X轴的垂直线为轴，将所有簇头节点分为左多跳路由分区集合CHleft、右多跳路由分区集合CHright；如图5所示，“▲”为左多跳路由分区集合的簇头节点；“▼”为右多跳路由分区集合的簇头节点。
④左多跳路由形成：设左多跳路由分区集合CHleft有i个簇头节点，以重心簇头节点CHweight为起点，在左多跳路由分区中找到最近簇头节点CHleft1，以簇头节点CHleft1为起点，在左多跳路由分区中找到除簇头节点CHleft1之外最近簇头节点CHleft2，以簇头节点CHleft2为起点，在左多跳路由分区中找到除簇头节点CHleft1、簇头节点CHleft2之外最近簇头节点CHleft3，直到遍历左多跳路由分区集合CHleft内所有的簇头节点为止；以最后簇头节点CHlefti为起点，形成到重心簇头节点CHweight的左分区反向优化多跳路由。
⑤右多跳路由形成：设右多跳路由分区集合CHright有j个簇头节点，以重心簇头CHweight为起点，在右多跳路由分区中找到最近簇头节点CHright1，以簇头节点CHright1为起点，在右多跳路由分区中找到除簇头节点CHright1之外最近簇头节点CHright2，以簇头节点CHright2为起点，在右多跳路由分区中找到除簇头节点CHright1、簇头节点CHright2之外最近簇头节点CHright3，直到遍历右多跳路由分区集合CHright内所有的簇头节点为止；以最后簇头节点CHrightj为起点，形成到重心簇头节点CHweight的右分区反向优化多跳路由。
四、数据传输阶段
如图1所示，首先，各簇内节点根据簇头节点发送的TDMA调度表，在其时间点内向簇头节点发送数据；然后，簇头节点融合簇内节点的数据，按重心簇头节点选举与多跳路由形成阶段建立的多跳路由，向下一跳簇头节点或重心簇头节点发送数据；最后，重心簇头节点收集所有数据，融合后再发送到汇聚节点。
为了验证该分簇算法的有效性和可靠性，使用仿真工具MATLAB对本发明算法与LEACH、LEACH-E协议进行了仿真，并对三个算法进行如下性能分析。
图6是本发明与LEACH、LEACH-E协议的网络生存时间对比。表1描述了本发明所述算法与LEACH、LEACH-E协议的网络性能对比：
表1本发明所述算法与LEACH、LEACH-E协议的网络性能对比
Figure BDA0002684884390000101
在无线传感器网络中，汇聚节点通过传感器节点获取监测区域内可靠和全面的数据，网络稳定周期、一半节点死亡轮数、网络生命周期是重要的度量标准。从网络开始工作到第一个节点死亡的时间为网络的稳定周期，此时网络性能稳定，能持续监测区域并能保持可靠的数据采集；从网络开始工作到50％的节点死亡为一半节点死亡轮数，网络中出现节点死亡比例不高，仍能较好监测区域和数据采集；从网络开始工作到最后一个节点死亡的时间为网络生命周期，最后一个节点死亡时网络死亡。从对比结果可以看到，本发明的网络稳定周期、一半节点死亡轮数、网络生命周期均优于LEACH、LEACH-E协议，有效地延长了网络生命周期和稳定周期，提高了网络的稳定性。
图7是本发明所述算法与LEACH、LEACH-E协议的网络能量消耗对比。从图中可以看到，本发明每轮中网络剩余能量多于LEACH、LEACH-E协议，即每轮中网络消耗的能量明显减少了。这是由于本发明采用多跳路由，根据重心法选取能量水平较高且位置较优的节点当选重心簇头，其余簇头采用簇间多跳传输数据，避免直接与汇聚节点通信而耗能较快，缓解了各簇头负载过重的问题，提高了网络能量的使用效率。
图8是本发明所述算法与LEACH、LEACH-E协议向汇聚节点发送数据量对比。从图中可以看到，LEACH、LEACH-E协议中向汇聚节点发送数据量分别为7234、2011，本发明中向汇聚节点发送数据量为11381，远高于其他协议。数据量越大说明网络对监测区域采集的数据越全面，汇聚节点对监测区域的监测能力越好，网络性能越好。
上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：
在无线传感器网络中设置有汇聚节点和若干相互独立的分簇；所述分簇包括一簇头节点和若干个无线传感器节点，所述无线传感器节点分散布局以监测所在区域内的信息，并将采集数据发送至该分簇的簇头节点；
基于重心法，在众分簇的簇头节点中选择出重心簇头节点；所述重心簇头节点与汇聚节点连接通讯，其将各簇头节点向其发送的数据融合后向汇聚节点发送；所述簇头节点经多跳路由向重心簇头节点发送数据；
其中，包括在众分簇的簇头节点中选择出重心簇头节点的步骤：
计算重心值；
根据重心值公式计算在此轮中选举出来k个簇头节点的重心值Wi(i＝1，2，…，k)，重心值Wi由公式(3)计算获得；
Figure FDA0003753529750000011
Ei为簇头节点的剩余能量，E0为簇头节点的初始能量，NEAR为离汇聚节点最近的无线传感器节点，dNEARtoBS为NEAR到汇聚节点的距离，dCHtoBS为各簇头节点到汇聚节点的距离，dMINtoNEAR为所有簇头节点到NEAR距离的最小值，dCHtoNEAR为各簇头节点到NEAR的距离；
选出重心簇头节点；
从Wi(i＝1，2，…，k)中找出最大值Wmax；重心值为最大值Wmax的簇头节点，在此轮中当选为重心簇头CHweight；
还包括形成到重点簇头节点的多跳路由的步骤，其中包括：
分区步骤；
以重心簇头节点到X轴的垂直线为轴，将所有簇头节点分为左多跳路由分区集合CHleft、右多跳路由分区集合CHright；
左多跳路由形成步骤；
设左多跳路由分区集合CHleft有i个簇头节点，以重心簇头节点CHweight为起点，在左多跳路由分区中找到最近簇头节点CHleft1，以簇头节点CHleft1为起点，在左多跳路由分区中找到除簇头节点CHleft1之外最近簇头节点CHleft2，以簇头节点CHleft2为起点，在左多跳路由分区中找到除簇头节点CHleft1、簇头节点CHleft2之外最近簇头节点CHleft3，直到遍历左多跳路由分区集合CHleft内所有的簇头节点为止；以最后簇头节点CHlefti为起点，形成到重心簇头节点CHweight的左分区反向优化多跳路由；
右多跳路由形成步骤；
设右多跳路由分区集合CHright有j个簇头节点，以重心簇头CHweight为起点，在右多跳路由分区中找到最近簇头节点CHright1，以簇头节点CHright1为起点，在右多跳路由分区中找到除簇头节点CHright1之外最近簇头节点CHright2，以簇头节点CHright2为起点，在右多跳路由分区中找到除簇头节点CHright1、簇头节点CHright2之外最近簇头节点CHright3，直到遍历右多跳路由分区集合CHright内所有的簇头节点为止；以最后簇头节点CHrightj为起点，形成到重心簇头节点CHweight的右分区反向优化多跳路由。
2.根据权利要求1所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，其特征在于，包括簇头节点选择步骤：
所有存活的无线传感器节点发送其位置信息和能量水平到汇聚节点，汇聚节点计算出所有存活的无线传感器节点的平均能量值；如若无线传感器节点剩余能量大于平均能量值，则其成为候选簇头节点；否则，在此轮中不当选为簇头；
由列为候选簇头节点的无线传感器节点分别产生[0,1]的随机数，当随机数小于阈值T’(n)且在前面1/p轮中未当选过簇头的，则在此轮中选举为簇头节点；其中，p为候选簇头节点所占比例；
由LEACH协议的最优簇头数量计算公式确定网络中簇头节点的最优个数，即作为网络的最优分簇数量kopt。
3.根据权利要求2所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，其特征在于：在所述簇头节点选择步骤中，阈值T’(n)由公式(1)计算获得；
Figure FDA0003753529750000031
p为候选簇头节点所占比例，r为当前轮次，Ei为节点剩余能量，Eaver为所有存活节点的能量平均值，G为最近1/p轮未当选过簇头节点的无线传感器节点集合。
4.根据权利要求2所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，其特征在于：在所述簇头节点选择步骤中，最优分簇数量kopt由公式(2)计算获得；
Figure FDA0003753529750000032
N为网络中无线传感器节点的总数，εfs为自由空间传播模型的发射能耗系数，εmp为多路径衰减传播模型的发射能耗系数，M为正方形区域的边长，dtoBS为簇头节点到汇聚节点的距离期望值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，其特征在于，包括数据传输步骤：
所述分簇的各簇内节点根据簇头节点发送的TDMA调度表，在其时间点内向簇头节点发送数据；簇头节点融合各簇内节点的数据，并依照到重心簇头节点的多跳路由向下一跳簇头节点或重心簇头节点发送数据；重心簇头节点收集所有数据，融合后再发送到汇聚节点。
6.根据权利要求1-4任一项所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法，其特征在于，包括网络初始化步骤：
在M*M的正方形监测区域内随机分布N个无线传感器节点，无线传感器节点的ID编号分别为1-N，所有无线传感器节点的初始能量相同；
所述汇聚节点在远离监测区域的远端部署，其能量不受限制。
7.一种基于重心法的无线传感器网络多跳分簇系统，其特征在于，包括：
汇聚节点和若干相互独立的分簇，所述分簇包括若干个于监测区域内分散布局的无线传感器节点；所述无线传感器节点中包括依权利要求1-6任意一项所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇方法选定的簇头节点和重心簇头节点；
所述簇头节点与其所在分簇内的其余无线传感器节点连接并接收无线传感器节点发送的数据，所述簇头节点与重心簇头节点连接并经多跳路由向其发送数据；
所述重心簇头节点与汇聚节点连接通讯，其将各簇头节点向其发送的数据、以及其自身所在分簇的其余无线传感器节点向其发送的数据融合后向汇聚节点发送。
8.根据权利要求7所述的基于重心法的无线传感器网络多跳分簇系统，其特征在于：所述监测区域为正方形监测区域，所有无线传感器节点的初始能量相同，所述汇聚节点在远离监测区域的远端部署，其能量不受限制。
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