CN113242587A - 基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线传感网络技术领域的基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，包括如下步骤：S1：建立网络模型；S2：建立能耗模型；S3：簇头候选节点集；S4：设置节点序值；S5：选举簇头；S6：基于可变长的时隙分配，从选举簇头和分配时隙两角度减少节点能耗。依据六边形网格，将逼近于六边形质心的节点优先选为簇头。簇头再依据节点在上一轮时间帧内的状态，分配时隙，提高时隙利用率。仿真数据表明，提出的HSDR路由平衡了能耗，拓延了网络寿命。

Description

基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术领域，具体为基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法。

背景技术

无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)已广泛应用于环境检测、康复医疗等应用领域。WSNs中的节点具有感测数据、传输数据的能力。传感节点先感测数据，然后将数据传输基站。由于WSNs内的节点是微型设备，一般只通过电池供电。即使节点电量消耗殆尽，也不便以更换电池或者充电。因此，降低节点能耗，提高能量利用率已成为WSNs的研究热点。

传输数据消耗了节点的大部分能量。因此，有效地传输数据是降低节点能耗的有效方式。现存的WSNs路由可分为层次和非层次路由。分簇路由是典型的层次路由。网络内的节点依据特定划分规则，将节点划分成不同的簇，每簇产生一个簇头一个簇头(Clusterheader，CH)，并由簇头收集簇内节点的感测数据。然后，再由簇头将数据传输至基站。簇头不仅要收集本簇内节点的感测数据，还需向基站转发数据，这些任务加剧了簇头的能耗速度。因此，构建簇头的机制对平衡网络能耗有重要影响。

目前，研究人员针对构建簇头的机制提出了不同的策略，并相应地提出不同类型的分簇路由。低功耗自适应簇分层(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)是典型的分簇路由。但是LEACH路由只通过随机方式产生簇头，并没有从平衡网络能耗角度产生簇头。

为此，研究人员提出了不同的改进策略。例如现有文献提出基于网络的全局知识的LEACH改进路由(LEACH-C)。尽管利用全局知识能够选择更优的簇头，但收集全局知识增加了网络能耗以及通信开销。类似地，现有文献采用动态分割算法产生簇头。由基站构建动态簇，通过不断迭代，产生最优的簇头。然而，这些簇头产生机制在试图降低能耗的同时，并没有考虑到产生簇头本身的能耗。若频繁地选择簇头，势必也加大了网络能耗。现有文献分析了产生簇头的能耗问题，并提出基于一次建立簇头(Clustering with One-time Setup，COTS) 路由。COTS路由从减少选举簇头次数的角度，降低能耗。然而，若简单地降低次数，并不能达到最佳效果。减少了次数，所选举簇头可能并不是最优的。

基于此，本发明设计了基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，簇路由HSDR采用六边形网格选举簇头，能够以最少的簇头数覆盖网络。同时，簇头依据节点状态，动态地给节点分配数据时隙，提高了时隙利用率，并减少了节点能耗。

发明内容

本发明的目的在于提供基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，以解决上述提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，包括如下步骤：

S1：建立网络模型：引用基于六边形网格的网络结构，每个六边形有一个质心，假定存在M个质心，则它们的坐标表示为

且k＝1,2,···,M，若簇头位于质心，则能以最少的簇头数覆盖网络；引用轮群概念：一个轮群由N个轮构成，在轮群开始时，进行簇头选择，每一轮由初始阶段和数据传输阶段构成，在初始阶段，完成簇头选择，并形成簇；在数据传输阶段，将时间划分不同时隙，并依通过节点密度给节点分配时隙，然后用于节点传输数据；

S2：建立能耗模型：向相距d米接收端传输m比特数据，所消耗的能量 E_Tx(m,d)：

式中：E_elec表示每传输一比特数据所消耗的能量；ε_fs、ε_amp分别表示在自由空间、双径衰落传输模型下的能量消耗因子；

节点接收m比特数据所消耗的能量E_Rx(m)：

E_rv(m)＝m*E_elec (2)

S3：簇头候选节点集：基站先收集网络内所有节点的能量，再计算节点平均能量E_avg，然后依据E_avg，选择部分节点加入候选节点集ψ_CH，对于任意节点S_i，若它的剩余能量E_i大于平均能量E_avg，则将S_i加入ψ_CH，即ψ_CH←S_i，通过公式(3) 表示：

ψ_CH←Si，if E_i≥E_avg (3)

S4：设置节点序值：

首先，构建N×M个离质心距离矩阵

，如式(4)所示：

式中：(x_i,y_i)表示节点S_i的位置坐标，

矩阵

中第一行

表示节点S₁离M个质心距离，类似地，第i行

表示节点S_i离M个质心距离，离质心距离越小，成为簇头概率越大，

计算矩阵

中每一行的距离最小值，如式(5)所示：

利用式(5)可计算N个节点离M个质心的最小距离，并依N个节点的最小距离值，对ψ_CH内的节点按升序进行排序，形成有序矩阵

令λ_i表示节点S_i在

的排序号，利用λ_i定义节点的序值

其中|ψ_CH|表示矩阵ψ_CH的元素个数；

S5：选举簇头：基站依据式(6)计算每个传感节点的序值，并将此序值传输至各传感节点，在每个超轮开始，传感节点就将自己的序值与式(7)所定义的阈值进行比较，若大于此阈值，就成为簇头：

S6：基于可变长的时隙分配：形成簇后，簇头采用时分多址TDMA方式给本簇内节点分配时隙。

优选的，在S1中，六边形的面积为：

其中，R为六边形内切圆半径。

优选的，所述基于可变长的时隙分配具体包括以下步骤：

第一步：初始状态时隙分配：

簇头采用等长时隙规则分配时隙，采用m个时间帧，每个时间帧分配成n 个时隙，初始分配时隙后，簇头就将时隙分配表在本簇内广播，簇成员节点接收时隙分配表后，就依据此时隙分配表传输数据，

当节点要传输数据，就先向簇头发送一个“开始发送的”的控制消息，再开始传输数据Data，若在所分配的时隙内，节点能够完成数据Data的传输，就在数据 Data传输完毕后，再发送一个“发送完毕”的控制消息，随后进入休眠状态，将发送“发送完毕”控制消息的节点称为工作节点，若在所分配的时隙内，就在本时隙结束后，再发送一个“申请继续”的控制消息，将发送“申请继续”的控制消息的节点称为繁忙节点，

第二步：时隙调整

簇头会依据上一轮节点的状态调整节点的时隙，簇头引用时隙调整因子λ调整节点的时隙，令F(k,j)表示节点S_j在第k个时间帧的状态，若节点S_j为工作节点，F(k,j)＝0；若节点S_i为繁忙节点，F(k,j)＝1，

令λ(k+1,j)表示节点S_j在第k+1个时间帧的时隙调整因子，且λ(k+1,j)＝1+0.5F(k,j)，假定一个簇内有n个节点，节点S_i属于该簇内的一个节点，簇头就依据式(8)调整节点S_i在下一个时间帧的时隙长度：

式中：T_s(k,j)表示第k个时间帧的第j个时隙长度；T_s(k+1,j)表示第k+1个时间帧的第j个时隙长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明HSDR路由从选举簇头和分配时隙两角度减少节点能耗。依据六边形网格，将逼近于六边形质心的节点优先选为簇头。簇头再依据节点在上一轮时间帧内的状态，分配时隙，提高时隙利用率。仿真数据表明，提出的HSDR路由平衡了能耗，拓延了网络寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于六边形网格模型图；

图2为本发明超轮结构示意图；

图3为本发明能耗模型图；

图4为本发明初始状态时隙分配图；

图5为本发明节点发送的两种格式包图。

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作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。

本发明提供一种技术方案：基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，包括如下步骤：

S1：建立网络模型：引用基于六边形网格的网络结构，如图1所示。每个六边形有一个质心，假定存在M个质心，则它们的坐标表示为

且k＝1,2,···,M，六边形的面积为：

其中，R为六边形内切圆半径。若簇头位于质心，则能以最少的簇头数覆盖网络，这也是采用六边形网格产生簇头的初衷。

引用轮群概念：一个轮群由N个轮构成。在轮群开始时，进行簇头选择。而不是在每个轮开始都选举簇头。每一轮由初始阶段和数据传输阶段构成。在初始阶段，完成簇头选择，并形成簇；在数据传输阶段，将时间划分不同时隙，并依通过节点密度给节点分配时隙。这些时隙用于节点传输数据，如图2所示。

一个数据传输阶段由多个帧构成，在每个帧结束后，簇头利用自己的时隙收集数据，并向基站传输数据。

S2：建立能耗模型：如图3所示的能耗模型，向相距d米接收端传输m比特数据，所消耗的能量E_Tx(m,d)：

式中：E_elec表示每传输一比特数据所消耗的能量；ε_fs、ε_amp分别表示在自由空间、双径衰落传输模型下的能量消耗因子；

节点接收m比特数据所消耗的能量E_Rx(m)：

E_rv(m)＝m*E_elec (2)

S3：簇头候选节点集：基站先收集网络内所有节点的能量，再计算节点平均能量E_avg，然后依据E_avg，选择部分节点加入候选节点集ψ_CH，对于任意节点S_i，若它的剩余能量E_i大于平均能量E_avg，则将S_i加入ψ_CH，即ψ_CH←S_i，通过公式(3) 表示：

ψ_CH←S_i，if E_i≥E_avg (3)

S4：设置节点序值：

HSDR路由的目的在于选择最优的节点作为簇头。为此，其利用六边形网格选择簇头。具体而言，先计算各六边形质心，然后，计算每个节点离所有质心的最小距离，再依据此距离给节点设计序值。

首先，构建N×M个离质心距离矩阵

如式(4)所示：

式中：(x_i,y_i)表示节点S_i的位置坐标，

矩阵

中第一行

表示节点S₁离M个质心距离。类似地，第i行

表示节点S_i离M个质心距离。离质心距离越小，成为簇头概率越大。原因在于：当位于质心的节点成为簇头时，在覆盖相同面积的区域所需的簇头数就越少。

计算矩阵

中每一行的距离最小值，如式(5)所示：

例如，

表示节点S₂离M个质心的最小距离值。利用式(5)可计算N个节点离M个质心的最小距离。并依N个节点的最小距离值，对ψ_CH内的节点按升序进行排序，形成有序矩阵

令λ_i表示节点S_i在

的排序号。最终，便可利用λ_i定义节点的序值

其中|ψ_CH|表示矩阵ψ_CH的元素个数；

S5：选举簇头：基站依据式(6)计算每个传感节点的序值，并将此序值传输至各传感节点，在每个超轮开始，传感节点就将自己的序值与式(7)所定义的阈值进行比较，若大于此阈值，就成为簇头：

选举簇头的整个过程为基站先计算平均能量，然后依式(4)计算形成候选簇头集ψ_CH，并依式(4)形成距离矩阵

随后，依式(6)计算序值。再将序值与簇头阈值进行比较，若大于阈值，就成为簇头，否则就成为成员节点。

S6：基于可变长的时隙分配：形成簇后，簇头采用时分多址TDMA方式给本簇内节点分配时隙。

所述基于可变长的时隙分配具体包括以下步骤：

第一步：初始状态时隙分配：

簇头采用等长时隙规则分配时隙，采用m个时间帧，每个时间帧分配成n 个时隙，如图4所示。初始分配时隙后，簇头就将时隙分配表在本簇内广播，簇成员节点接收时隙分配表后，就依据此时隙分配表传输数据，

当节点要传输数据，就先向簇头发送一个“开始发送的”的控制消息，再开始传输数据Data，若在所分配的时隙内，节点能够完成数据Data的传输，就在数据 Data传输完毕后，再发送一个“发送完毕”的控制消息，随后进入休眠状态，将发送“发送完毕”控制消息的节点称为工作节点，若在所分配的时隙内，就在本时隙结束后，再发送一个“申请继续”的控制消息，将发送“申请继续”的控制消息的节点称为繁忙节点，如图5所示。

第二步：时隙调整

簇头会依据上一轮节点的状态(工作节点或繁忙节点)调整节点的时隙，簇头引用时隙调整因子λ调整节点的时隙，令F(k,j)表示节点S_j在第k个时间帧的状态，若节点S_j为工作节点，F(k,j)＝0；若节点S_i为繁忙节点，F(k,j)＝1，

令λ(k+1,j)表示节点S_j在第k+1个时间帧的时隙调整因子，且λ(k+1,j)＝1+0.5F(k,j)，假定一个簇内有n个节点，节点S_i属于该簇内的一个节点，簇头就依据式(8)调整节点S_i在下一个时间帧的时隙长度：

式中：T_s(k,j)表示第k个时间帧的第j个时隙长度；T_s(k+1,j)表示第k+1个时间帧的第j个时隙长度。

性能分析：

为了更好地分析HSDR路由的性能，利用Matlab软件绘制仿真图。同时，利用NS2软件产生网络数据。先设置节点，并保存节点的移动、能量的相关数据，并保存节点的数据。在200×200m²区域内随机部署100个节点，具体的仿真参数如表1所示。

选择COTS路由、LEACH路由以及LEACH-C路由作为参照，并分析它们的能耗性能以及数据传输性能。选用第一个节点失效的轮数(First Node Dies， FND)、过半节点失效时的轮数(HalfofNodes Alive，HNA)作为能耗指标。同时，选择基站所接收的数据包表征数据传输的性能。基站所接收的数据包数越多，数据传输性能越好。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：建立网络模型：引用基于六边形网格的网络结构，每个六边形有一个质心，假定存在M个质心，则它们的坐标表示为

且k＝1,2,···,M，若簇头位于质心，则能以最少的簇头数覆盖网络；引用轮群概念：一个轮群由N个轮构成，在轮群开始时，进行簇头选择，每一轮由初始阶段和数据传输阶段构成，在初始阶段，完成簇头选择，并形成簇；在数据传输阶段，将时间划分不同时隙，并依通过节点密度给节点分配时隙，然后用于节点传输数据；

S2：建立能耗模型：向相距d米接收端传输m比特数据，所消耗的能量E_Tx(m,d)：

式中：E_elec表示每传输一比特数据所消耗的能量；ε_fs、ε_amp分别表示在自由空间、双径衰落传输模型下的能量消耗因子；

节点接收m比特数据所消耗的能量E_Rx(m)：

E_rv(m)＝m*E_elec (2)

S3：簇头候选节点集：基站先收集网络内所有节点的能量，再计算节点平均能量E_avg，然后依据E_avg，选择部分节点加入候选节点集ψ_CH，对于任意节点S_i，若它的剩余能量E_i大于平均能量E_avg，则将S_i加入ψ_CH，即ψ_CH←S_i，通过公式(3)表示：

ψ_CH←S_i，if E_i≥E_avg (3)

S4：设置节点序值：

首先，构建N×M个离质心距离矩阵

如式(4)所示：

式中：(x_i,y_i)表示节点S_i的位置坐标，

矩阵

中第一行

表示节点S₁离M个质心距离，类似地，第i行

表示节点S_i离M个质心距离，离质心距离越小，成为簇头概率越大，

计算矩阵

中每一行的距离最小值，如式(5)所示：

利用式(5)可计算N个节点离M个质心的最小距离，并依N个节点的最小距离值，对ψ_CH内的节点按升序进行排序，形成有序矩阵

令λ_i表示节点S_i在

的排序号，利用λ_i定义节点的序值

其中|ψ_CH|表示矩阵ψ_CH的元素个数；

S5：选举簇头：基站依据式(6)计算每个传感节点的序值，并将此序值传输至各传感节点，在每个超轮开始，传感节点就将自己的序值与式(7)所定义的阈值进行比较，若大于此阈值，就成为簇头：

S6：基于可变长的时隙分配：形成簇后，簇头采用时分多址TDMA方式给本簇内节点分配时隙。

2.根据权利要求1所述的基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，其特征在于：在S1中，六边形的面积为：

其中，R为六边形内切圆半径。

3.根据权利要求1所述的基于六边形质心的簇头选举和动态时隙分配的簇路由方法，其特征在于：所述基于可变长的时隙分配具体包括以下步骤：

第一步：初始状态时隙分配：

簇头采用等长时隙规则分配时隙，采用m个时间帧，每个时间帧分配成n个时隙，初始分配时隙后，簇头就将时隙分配表在本簇内广播，簇成员节点接收时隙分配表后，就依据此时隙分配表传输数据，

当节点要传输数据，就先向簇头发送一个“开始发送的”的控制消息，再开始传输数据Data，若在所分配的时隙内，节点能够完成数据Data的传输，就在数据Data传输完毕后，再发送一个“发送完毕”的控制消息，随后进入休眠状态，将发送“发送完毕”控制消息的节点称为工作节点，若在所分配的时隙内，就在本时隙结束后，再发送一个“申请继续”的控制消息，将发送“申请继续”的控制消息的节点称为繁忙节点，

第二步：时隙调整

簇头会依据上一轮节点的状态调整节点的时隙，簇头引用时隙调整因子λ调整节点的时隙，令F(k,j)表示节点S_j在第k个时间帧的状态，若节点S_j为工作节点，F(k,j)＝0；若节点S_i为繁忙节点，F(k,j)＝1，

令λ(k+1,j)表示节点S_j在第k+1个时间帧的时隙调整因子，且λ(k+1,j)＝1+0.5F(k,j)，假定一个簇内有n个节点，节点S_i属于该簇内的一个节点，簇头就依据式(8)调整节点S_i在下一个时间帧的时隙长度：

式中：T_s(k,j)表示第k个时间帧的第j个时隙长度；T_s(k+1,j)表示第k+1个时间帧的第j个时隙长度。

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