CN112437477B - 一种无线传感器网络路由方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种无线传感器网络路由方法及系统，按照地理位置对整体区域进行区域划分，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头；每个簇头向各个普通节点发送位置信息，各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行各个普通节点的数据路由传输；本公开在簇头选举过程中不再依据随机生成值来选定簇头而是综合考虑位置信息、传递查询信息的种类以及节点剩余能耗，有效地防止了某些节点被过度使用从而过早死亡，更好的延长网络使用寿命，优化了整体节点能耗的均衡性，减少节点能耗的浪费，优化了总体节点传输信息的路径及方式。

Description

一种无线传感器网络路由方法及系统
技术领域
本公开涉及通信技术领域，特别涉及一种无线传感器网络路由方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
无线传感网络(WSN)是由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点，其中每个传感器节点的生命周期也直接决定了无线传感网络的整体使用周期，因为在通常情况下，无线传感器是采用电池供电，并且其一般是部署在环境恶劣的地方，所以几乎无法二次更换电池。在WSN中，路由协议是关键技术之一，负责指导数据传输的路径，其路径直接影响整体网络的能量消耗。
本公开发明人发现，传统的LEACH协议是一种自适应分簇拓扑协议，通过随机选择簇头并计算簇头与普通节点的距离来形成簇，其簇头生成环节与簇的建立环节具有局限性，即通过随机的方式选取簇头会导致某些节点由于被重复选中为簇头而过早死亡从而影响网络的使用周期；而且确定簇头节点后，选取其簇内节点采用全局搜索，一些距离过远的节点此时仍被询问，因此造成了能量的浪费。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种无线传感器网络路由方法及系统，将LEACH算法与部分GAF算法进行融合，结合了节点本身的属性和剩余能耗进行簇头的选择，可以更好地均衡所有节点的剩余能耗，延长网络使用周期，防止某些簇头被过度使用从而过早死亡。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种无线传感器网络路由方法。
一种无线传感器网络路由方法，包括以下步骤：
按照地理位置对整体区域进行区域划分，得到多个等尺寸且对称的分区；
对每个分区内的节点进行编号，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；
对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头；
每个簇头向各个普通节点发送位置信息，各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行各个普通节点的数据路由传输。
作为可能的一些实现方式，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，具体为：每个节点向相邻的下一个节点传输信息，依次进行信息传输直至最后一个节点，然后最后一个节点向其余每个节点分别传输信息，此时其余的节点间不进行信息传输。
作为可能的一些实现方式，节点的能耗采用LEACH的能耗模型计算得到，包括通信能耗和数据处理能耗。
作为可能的一些实现方式，当簇建立完成后，开始每轮的迭代，每轮迭代得到普通节点和簇头的剩余能耗，下一轮根据每个节点的剩余能耗重新选取簇头，替代上一轮的簇头。
作为进一步的限定，簇头的能耗，具体为：簇头的当前能耗与面向所有普通节点广播成为簇头的能耗、普通节点到簇头的数据接收能耗以及簇头到基站的数据发送能耗的差值。
作为可能的一些实现方式，第一个节点的能耗为第一个节点的当前能耗与最后一个节点到第一个节点的数据接收能耗以及第一个节点到第二节点的数据发送能耗的差值。
作为可能的一些实现方式，最后一个节点的能耗为最后一个节点的当前能耗与倒数第二个节点到最后一个节点的数据接收能耗以及最后一个节点到第一个节点的数据发送能耗的差值。
作为可能的一些实现方式，剩余任一个节点的能耗为节点的当前能耗与前一个节点到当前节点的数据接收能耗、当前节点到下一个节点的数据发送能耗以及最后一个节点到当前节点的数据接收能耗的差值。
作为可能的一些实现方式，在整体区域内随机生成多个传感器节点，在中心位置放置基站节点，对所有节点进行初始值的设定，包括每个节点的初始能量，传输数据的能耗，接收数据的能耗以及融合数据的能耗，每个节点初始时都为普通节点。
作为可能的一些实现方式，编号完成后，获取相邻编号两个节点的距离以及最后一个节点和其余每个节点之间的距离。
本公开第二方面提供了一种无线传感器网络路由系统。
一种无线传感器网络路由系统，包括：
区域划分模块，被配置为：按照地理位置对整体区域进行区域划分，得到多个等尺寸且对称的分区；
分区内部通信模块，被配置为：对每个分区内的节点进行编号，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；
分区簇头选择模块，被配置为：对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头；
成簇路由模块，被配置为：每个簇头向各个普通节点发送位置信息，各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行各个普通节点的数据路由传输。
本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的无线传感器网络路由方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的无线传感器网络路由方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，簇头的选取范围不再是全局搜索，而是分区域就近搜索，同时簇内节点的选取也在该分区域内进行，减少不必要的远距离搜寻，可以节约节点的能耗。
2、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，在簇头选举过程中不再依据随机生成值来选定簇头而是综合考虑位置信息、传递查询信息的种类以及节点剩余能耗，有效地防止了某些节点被过度使用从而过早死亡，更好的延长网络使用寿命，优化了整体节点能耗的均衡性，减少节点能耗的浪费，优化了总体节点传输信息的路径及方式。
3、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，主要分析了出现第一个死亡节点的回合数和每一轮迭代后总体节点的平均剩余能耗，通过这些表现形式来衡量网络的生命周期以及能量消耗的均衡性。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的无线传感器网络路由方法的流程示意图。
图2为本公开实施例1提供的簇头选取方法流程示意图。
图3为本公开实施例1提供的节点进行初始通信的示意图。
图4为本公开实施例1提供的统计出现第一个死亡节点的迭代回合数折线图。
图5为本公开实施例1提供的平均剩余能耗变化图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种无线传感器网络路由方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：在100×100的区域内随机生成100个传感器节点，在(50，50)位置放置基站节点。对所有节点进行初始值的设定，包括每个节点的初始能量，传输数据的能耗，接受数据的能耗以及融合数据的能耗。初始时刻每个节点被标记为“N”，意味着每个节点初始时都为普通节点，具体数值参见表1。
表1：初始参数的设置
Figure BDA0002735026380000061
步骤2：建立能耗模型。
在无线传感器网络中，传感器节点的能耗主要包括自身硬件能耗、通信能耗(发送能耗和接收能耗)和数据处理能耗(如数据融合能耗)，本实施例在计算过程中将传感器节点自身的硬件能耗忽略不计。
本实施例采用LEACH的能耗模型，设d0来表示门限距离，用d表示发射节点和接受节点之间的距离；设Emp和Efs来分别表示多路衰减模型和自由空间模型的功放因子参数；m表示一个数据分组的比特数，EDA表示每融合1bit数据所消耗的能量，Eelec表示每传输1bit数据所消耗的能量，则距离为d的两个节点传输mbit数据的接收能耗ERX(m,d)、发送能耗ETX(m,d)和融合mbit数据的融合能耗EDA(m,d)的计算公式分别为：
ERX(m,d)＝mEelec
Figure BDA0002735026380000071
EDA(m,d)＝mEDA
步骤3：以(50，50)为中心点，沿x，y轴对全体区域进行分割，分成A、B、C、D四个区域并用不同的颜色进行区分，如图2所示；
步骤4：对A区域内的所有节点进行编号(从1到n)，同时测出相邻编号两个节点的距离以及最后一个节点n和其余每个节点之间的距离；
此环节里节点之间主要传输位置及剩余能量的信息，因此每个点传输的信息包括控制信息和数据信息，此时的通信是用于选取簇头，并不会传输工作的数据信息；
传输顺序及方式为：节点1向节点2传输信息，节点2向节点3传输信息，以此类推，节点n-1向节点n传输信息；接下来，节点n向其余每个节点分别传输信息，需要注意，此时除了节点n，其余的节点间不进行信息传输。区域B、C、D与区域A进行同样的操作，并且所有区域同时进行，传输方式如图3所示。
步骤5：对比分区域内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头，以此类推，具体的簇头数量根据区域的面积和节点数量来确定。
节点1(E(rest_1))、节点n(E(rest_n))和其余节点x(E(rest_x))的能耗计算公式分别为：
E(rest_1)＝E(present_1)-ERX(n→1)-ETX(1→2)
E(rest_n)＝E(present_n)-ERX(n-1→n)-ETX(n→1)
E(rest_x)＝E(present_x)-ERX(x-1→x)-ETX(x→x+1)-ERX(n→x)
步骤6：接下来普通节点开始向每个簇头发送位置信息，普通节点会选择距离最近的簇头进行加入。
步骤7：每个区域里的簇头确定后，计算各个簇头的能耗，簇头的能耗主要来自三个方面：(1)簇头面向所有普通节点广播其已经成为簇头的消息，(2)接收各个普通节点的请求信息和数据信息，(3)发送请求信息和数据信息至基站。其公式如下：
E(rest_簇头)＝E(present_簇头)-E(广播消息)-ERX(普通节点→簇头)-ETX(簇头→基站)
步骤8：开始进行每轮的迭代，每轮操作步骤1～步骤7，每轮迭代时重新寻找步骤7里每块区域剩余能耗最高的节点来取代上一轮的簇头，成为本轮的“新”簇头，并为其余的普通节点重新选择簇头。
本实施例中，判断是否成为簇头的依据不再是随机值，而是同时考虑多种因素，比如节点的地理位置、节点需要传输查询信息的种类以及节点传输完查询信息后的剩余能耗，成为簇头依据的主要条件是节点剩余能耗，其综合考虑各种因素的过程主要体现在每轮迭代过程中正式传输数据之前，即节点之间传输查询到的其他节点剩余能量信息，总体形式则采用将分区域内节点按编号顺序单向逐次发送信息并且最后一个节点向之前的每一个节点逐个反馈的查询模式，最终选取该分区域内剩余能耗最高的两个节点为簇头。如此选举簇头主要是结合了节点本身的属性和剩余能耗，这样可以更好地均衡所有节点的剩余能耗，延长网络使用周期，防止某些簇头被过度使用从而过早死亡。
基于上述的步骤，本实施例进行了仿真实验。首先将迭代次数设定为400次，然后对100个传感器节点分别运行了LEACH算法和LEACH-GAF算法，目的是寻找出现第一个死亡节点的回合数，以此来衡量网络生命周期，并比较两个算法的性能。为了排除特殊性，本次仿真实验对两种算法分别进行了100组实验，具体结果如图4和图5所示，可以明显的看出，LEACH-GAF算法出现第一个死亡节点的回合几乎都晚于LEACH算法，说明使用LEACH-GAF算法的网络生命周期要更长。
接下来本次实验对两种算法分别迭代了1000次，比较两种算法中所有节点平均剩余能量消耗变化曲线，也就是每轮迭代后计算一次100个节点的平均剩余能量消耗，最终结果如图3，通过比较,可以得出使用LEACH-GAF算法可以使能量消耗更加缓慢,所有节点平均剩余能量消耗变化曲线更加柔和,表明LEACH-GAF算法比LEACH算法更加均衡,充分利用每个节点，使网络的生命周期更长。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种无线传感器网络路由系统，包括：
区域划分模块，被配置为：按照地理位置对整体区域进行区域划分，得到多个等尺寸且对称的分区；
分区内部通信模块，被配置为：对每个分区内的节点进行编号，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；
分区簇头选择模块，被配置为：对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头；
成簇路由模块，被配置为：每个簇头向各个普通节点发送位置信息，各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行各个普通节点的数据路由传输。
所述系统的工作方法与实施例1提供的无线传感器网络路由方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的无线传感器网络路由方法中的步骤，所述步骤为：
按照地理位置对整体区域进行区域划分，得到多个等尺寸且对称的分区；
对每个分区内的节点进行编号，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；
对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头；
每个簇头向各个普通节点发送位置信息，各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行各个普通节点的数据路由传输。
详细步骤与实施例1提供的无线传感器网络路由方法相同，这里不再赘述。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的无线传感器网络路由方法中的步骤，所述步骤为：
按照地理位置对整体区域进行区域划分，得到多个等尺寸且对称的分区；
对每个分区内的节点进行编号，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；
对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头；
每个簇头向各个普通节点发送位置信息，各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行各个普通节点的数据路由传输。
详细步骤与实施例1提供的无线传感器网络路由方法相同，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线传感器网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照地理位置对整体区域进行区域划分，得到多个等尺寸且对称的分区；
对每个分区内的节点进行编号，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，具体为：每个节点向相邻编号的下一个节点传输信息，依次进行信息传输直至最后一个节点，然后最后一个节点向其余每个节点分别传输信息，此时其余的节点间不进行信息传输，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；
对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头，以此类推，具体的簇头数量根据区域的面积和节点数量来确定；
每个簇头向分区内各个普通节点发送位置信息，分区内各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行分区内各个普通节点的数据路由传输。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于，节点的能耗采用LEACH的能耗模型计算得到，包括通信能耗和数据处理能耗。
3.如权利要求1所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于，当簇建立完成后，开始每轮的迭代，每轮迭代得到普通节点和簇头的剩余能耗，下一轮根据每个节点的剩余能耗重新选取簇头，替代上一轮的簇头。
4.如权利要求3所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于，簇头的能耗＝簇头的当前能耗-面向所有普通节点广播成为簇头的能耗-普通节点到簇头的数据接收能耗-簇头到基站的数据发送能耗。
5.如权利要求1所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于，第一个节点的能耗＝第一个节点的当前能耗-最后一个节点到第一个节点的数据接收能耗-第一个节点到第二节点的数据发送能耗；
或者，
最后一个节点的能耗＝最后一个节点的当前能耗-倒数第二个节点到最后一个节点的数据接收能耗-最后一个节点到第一个节点的数据发送能耗；
或者，
剩余任一个节点的能耗＝节点的当前能耗-前一个节点到当前节点的数据接收能耗-当前节点到下一个节点的数据发送能耗-最后一个节点到当前节点的数据接收能耗。
6.如权利要求1所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于，在整体区域内随机生成多个传感器节点，在中心位置放置基站节点，对所有节点进行初始值的设定，包括每个节点的初始能量，传输数据的能耗，接收数据的能耗以及融合数据的能耗，每个节点初始时都为普通节点；
或者，
编号完成后，获取相邻编号两个节点的距离以及最后一个节点和其余每个节点之间的距离。
7.一种无线传感器网络路由系统，其特征在于，包括：
区域划分模块，被配置为：按照地理位置对整体区域进行区域划分，得到多个等尺寸且对称的分区；
分区内部通信模块，被配置为：对每个分区内的节点进行编号，每个分区的节点在各自的分区内进行相互通信，具体为：每个节点向相邻编号的下一个节点传输信息，依次进行信息传输直至最后一个节点，然后最后一个节点向其余每个节点分别传输信息，此时其余的节点间不进行信息传输，通信内容为节点本身的位置和剩余能耗；
分区簇头选择模块，被配置为：对比分区内所有节点的剩余能耗，选取剩余能耗最高的节点为簇头，以此类推，具体的簇头数量根据区域的面积和节点数量来确定；
成簇路由模块，被配置为：每个簇头向分区内各个普通节点发送位置信息，分区内各个普通节点选择距离最近的簇头进行加入，通过簇头进行分区内各个普通节点的数据路由传输。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的无线传感器网络路由方法中的步骤。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述的无线传感器网络路由方法中的步骤。
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