CN114125986A - 一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线传感器网络分簇路由协议，特别是一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议(Optimal Relay Angle Based Clustering Routing Protocol for Wireless Sensor Networks,RACR)，该协议主要包括选举簇头和选择最佳路由路径两部分。提出的RACR分簇路由协议以减少网络能耗，提高能量利用率，延长网络生命周期为目的，首先基于节点剩余能量、邻居节点个数、与邻居节点的平均距离建立的适应度函数，选出网络中的最优簇头节点，其次在数据传输过程中首先确定每个簇头寻找中继节点的最佳角度，即最佳中继角，以此减小了路由路径的搜索范围，最后在范围内通过能量、距离、负载等方面寻找最佳路由路径。

Description

一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络分簇路由协议，特别是一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议。
背景技术
无线传感器网络在环境观察、军事、建筑监控、医疗保健、家居等方面起着重要的作用，但是无线传感器网络的发展仍然受到很多因素的限制，如：组成无线传感器网络的传感器节点通常部署在人类难以操作或无法操作的区域；传感器节点的能量有限，而且不能及时补充能量；传感器节点的分布具有随机性，导致传感器网络的拓扑结构不同。
目前已经提出大量关于分簇路由的协议，簇首与基站通信时使用单跳的方式，会使离基站较远的簇首能量消耗过快；有些协议采用了多跳方式，但由于路由选择不恰当，没有达到有效的降低能耗的效果。
发明内容
本发明主要针对如何解决无线传感网络分簇路由的簇头选择不合理、路由性能不好、能量消耗不均匀等问题，提出一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议。
本发明一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议由两部分构成，即簇头选举和寻找最佳路由路径；簇头选举基于能量、密度、距离设置适应度函数；路由阶段在最佳中继角内设置基于能量、距离、负载设置权重函数选最佳中继节点。
所述簇头选举协议，基于节点剩余能量、邻居节点个数、与邻居节点的平均距离建立的适应度函数来优化簇头选举，并通过能量在网络运行过程中不断调整适应度函数中各参数所占的权重，最后在每个邻域中选择适应度函数值最大节点为簇头。
所述路由协议，通过能耗和每个簇头到基站的距离计算各个簇头可以选择中继节点的最佳角度范围，之后在最佳中继角内通过基于下一跳簇头的能量、到下一跳簇头的距离、下一跳簇头所承担负载设置的权重函数来选择最佳中继节点将信息转发至基站。
附图说明
图1是本发明的无线传感器网络模型图；
图2是本发明的网络存活节点数目变化示意图；
图3是本发明的网络的总能耗变化示意图；
图4是本发明的网络总吞吐量变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，本发明一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议由两部分构成，即簇头选举、寻找最佳路由路径。
所述簇头选举协议采用以下三个指标定义适应度函数F(i):
节点剩余能量：在网络运行过程中，簇头将节点需要接收其集群成员传输过来的数据，并将其转发到基站，因此簇头需要被选择为能量较大的节点，其表达式如下：
Figure 554186DEST_PATH_IMAGE001
（1）
上式中Ei为节点剩余能量，Einitial为节点初始能量；
节点度：通信半径范围内邻居节点数量，在普通节点加入某一集群时，应选择节点邻近的簇头加入，因此簇头需要被选择为节点密度较大，邻居节点较多的节点，其表达式如下：
Figure 960897DEST_PATH_IMAGE002
（2）
上式中Dist为节点的通信半径，Neighbor(Si)为节点通信半径内邻居节点总数，N为无线传感器网络中部署的节点总数；
节点与邻居节点的平均距离：能量消耗主要在传输过程中，减小传输距离是减小能耗的关键问题，因此在簇头除了需要选择邻居节点数量较多的节点之外，邻居节点与簇头间的总距离应尽可能减小，其表达式如下:
Figure 786770DEST_PATH_IMAGE003
（3）
上式中，d(Si，Sj)为节点Si到其邻居节点Sj的距离；
最后，结合上述中的，所有存活节点（即，候选簇头）的适应度函数的定义如下：
Figure 384848DEST_PATH_IMAGE004
（4）
适应度函数中能量参数F1的系数α应大于密度F2的系数β和距离F3的系数γ,即应满足（α>β，α>γ，α+β+γ=1），此外将根据网络的剩余能量将适应度函数F(i)中F1(i), F2(i), F3(i)的系数α, β, γ分别设置为：
Figure 928962DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 139364DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 321209DEST_PATH_IMAGE008
，其中e(r)为网络中每轮所有节点的剩余能量与节点初始能量比值，
Figure 591653DEST_PATH_IMAGE009
；
最终，本文所制定的适应度函数如下:
Figure 357484DEST_PATH_IMAGE010
（5）。
所述路由路径选择如图2所示，根据各个簇头到基站的距离dcn-bs计算出簇头寻找中继节点的最佳范围，其中假设簇头到中继节点的距离dcn-relay与中继节点到基站的距离dcn-bs相等，即
Figure 870111DEST_PATH_IMAGE011
；
簇头将信息直接发送的基站所消耗的能量如公式（6）所示：
Figure 670577DEST_PATH_IMAGE013
（6）
簇头将信息通过中继节点转发至基站时，路径所消耗的总能量如（7）所示：
Figure 111923DEST_PATH_IMAGE014
（7）
为了达到减小能耗的目的，采用多跳路由模式传输时的能耗应小于直接传输的能耗，即
Figure 866514DEST_PATH_IMAGE016
：.因此可求得簇头寻找中继节点的最佳中继角θ如公式(8)所示：
Figure 418718DEST_PATH_IMAGE017
（8）
当源簇头与下一跳簇头连线lcn-relay与簇头到基站连线lcn-bs的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE019
小于θ时，簇头节点为候选中继节点；
而在候选中继节点中，本文用候选中继节点的剩余能量、源节点到下一跳候选节点的距离以及候选中继节点的负载这三个约束在候选节点中选择最佳中继节点，采用中继节点来减小能耗的同时应尽量选择剩余能量较大、负载较小的簇头作为源簇头中继节点，按照上述几点制定一个候选中继节点的权重函数，路由协议所选择的中继节点都为最大权重，其权重函数表示如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（9）
上式中Erelay为候选中继节点剩余能量，dcn-relay为源簇头到候选中继节点的距离，为候选中load(relay)继节点的负载。
为了验证本发明一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协RACR的性能，使用MATLAB仿真工具，对RACR性能与ECRP和UCF协议进行比较分析，仿真参数如表1所述：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
首先将本发明RACR协议与ECRP以及UCF协议的网络节点死亡轮数与网络存活节点数目进行了比较分析，结果如表2所示。RACR协议一半节点死亡轮数出现在1035、1112轮，相比于ECRP协议提高了5.79%、14.92%，比UCF协议提高了27.43%、35.43%；同时从图2中网络存活节点数目的曲线上也可以看出，RACR协议在延长网络寿命，均衡网络能耗上有效的解决了上述几种协议中存在的一些问题。
Figure DEST_PATH_IMAGE022
然后将本发明RACR协议与ECRP以及UCF协议的网络总能耗进行了比较分析，结果如图3所示，随着网络中CH轮换次数的增加，网络能耗不断增加，在网络死亡节点不超过总结点80%时ECRP和UCF协议的网络总能耗曲线基本保持在RACR协议的上方，在方案一和方案二中ECRP协议网络能耗达到50%分别在349、336轮；UCF协议分别在CH轮换轮数达到394、444轮时网络能耗达到50%，而RACR协议分别在CH轮换轮数为567、538轮时网络能耗才达到50%，从这些数据可以得出，在降低能耗方面，RACR相比于ECRP和UCF协议平均提高了48.61%和29.75%；由此可知与，RACR协议在节约能耗方面有更明显的优势。
最后将本发明RACR协议与ECRP以及UCF协议的网络吞吐量进行比较分析，结果如图4所示，对于所有协议，它们的网络吞吐量随着仿真运行的轮数而增加；此外，在方案一和方案二中网络吞吐量仿真结果中，与ECRP和UCF 相比，RACR 达到了最高的网络总吞吐量，RACR协议相比 ECRP 分别高 12.07％、15.25％，以及相比于UCF协议提高16.56％、14.82％，此仿真结果表明RACR协议不止有效的节约了能耗同时还保证了网络传输的数据量。

Claims (3)

1.一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议，其特征在于：包括簇头选举和路由路径选择两个部分。
2.根据权利要求1所述，一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议，其特征在于：基于节点剩余能量、邻居节点个数、与邻居节点的平均距离建立的适应度函数来优化簇头选举，并通过能量在网络运行过程中不断调整适应度函数中各参数所占的权重，最后在每个邻域中所选择的簇头都应满足适应度函数所提供的最大值，本文所制定的适应度函数F(i)如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中Ei为节点剩余能量，Einitial为节点初始能量，Dist为节点的通信半径，Neighbor(Si)为节点通信半径内邻居节点总数，N为无线传感器网络中部署的节点总数，d(Si，Sj)为节点Si到其邻居节点Sj的距离，e(r)为网络中每轮所有节点的剩余能量与节点初始能量比值：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(2)。
3.根据权利要求1所述，一种基于最佳中继角的无线传感器网络分簇路由协议，其特征在于：在路由过程首先通过所选簇头到基站的距离确定每个簇头选择中继节点的最佳中继角，之后在确定范围内通过基于下一跳簇头的能量、到下一跳簇头的距离、于下一跳簇头承担负载设置的权重函数来选择最佳中继节点将信息转发至基站，其中关于最佳中继角θ的计算如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
上式中，Eelec表示无线通信模块发送或接收单位比特损耗的能量，Emp，Efs分别为两种信道传输模型中功率放大器的参数，d0作为传输信息的阈值距离，它的大小由两种功率放大器参数决定，即
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，dch-bs为簇头到基站的距离；
选择中继节点的权重函数如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（4）
权重函数中Erelay为中继节点的剩余能量， dch-relay为源簇头到中继节点的距离load(relay)为中继节点的负载。
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