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一種基于雙簇首的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法與流程

文檔序號:12740909閱讀:357來源:國知局
一種基于雙簇首的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法與流程

本發(fā)明屬于無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種基于雙簇首的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法。



背景技術(shù):

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量無線傳感器構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的對象信息,并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給目標(biāo)用戶。由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限,且不容易更換電池,如何減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗,延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸模式為多對一(many-to-one)模型,但由于節(jié)點(diǎn)通信距離小,所以數(shù)據(jù)需要經(jīng)過多跳路由才能傳輸匯總至基站??拷黃ink的傳感器節(jié)點(diǎn)由于要轉(zhuǎn)發(fā)外層的數(shù)據(jù),承擔(dān)的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離基站的傳感器節(jié)點(diǎn),這決定著網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載必然會出現(xiàn)不平衡,產(chǎn)生“熱區(qū)”問題。分簇技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要技術(shù)之一,通過對網(wǎng)絡(luò)分層,設(shè)置不同的角色,降低節(jié)點(diǎn)能耗,從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,分簇路由算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中較常見的一種。

對于WSN的分簇路由協(xié)議,雖然有諸多方面優(yōu)于平面路由的性能協(xié)議,但是對于分族算法中的簇首不僅要承擔(dān)簇內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),又要進(jìn)行與基站間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作,容易造成簇首能量消耗過快死亡,從而造成網(wǎng)絡(luò)生存周期縮短。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

有鑒于此,本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙簇首的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法,能夠解決網(wǎng)絡(luò)生存周期短的問題。

為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:

一種基于雙簇首的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法,所述方法包括:

步驟101:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署完成后,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基站向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送初始化消息;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到所述初始化消息后向所述基站上報自身的位置、剩余能量和節(jié)點(diǎn)ID信息;所述基站根據(jù)節(jié)點(diǎn)上報的信息,獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置、ID、剩余能量,并統(tǒng)計節(jié)點(diǎn)總數(shù);

步驟102:所述基站根據(jù)統(tǒng)計的信息將分布區(qū)域進(jìn)行橫向劃分,形成至少一個子區(qū)域,每個所述子區(qū)域中包括至少一個簇;

步驟103:根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置、ID以及剩余能量,選舉出候選主簇首;根據(jù)所述候選主簇首與所述基站之間的距離,設(shè)置不同的競爭半徑,并在所述競爭半徑內(nèi)選舉出最終主簇首,并由所述最終主簇首組織成簇;

步驟104:在數(shù)據(jù)傳輸時,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主簇首,主簇首在融合數(shù)據(jù)完畢后,再交由副簇首;簇間通信時,每個副簇首從下一層級的主簇首中選擇一個主簇首作為其中繼節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步地,在由所述最終主簇首組織成簇之后,所述方法還包括:

簇建立以后,普通節(jié)點(diǎn)向主簇首申請副簇首競選;在副簇首選舉時,基于普通節(jié)點(diǎn)到主簇首的距離、普通節(jié)點(diǎn)到基站的距離以及普通節(jié)點(diǎn)的剩余能量的大小,得到各個普通節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的選舉副簇首的權(quán)值函數(shù),并根據(jù)權(quán)值大小選出最佳副簇首。

進(jìn)一步地,按照下述公式確定選舉副簇首的權(quán)值函數(shù):

其中,wf(i)表示第i個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的選舉副簇首的權(quán)值函數(shù),dmax-CH表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到主簇首的最大距離,dmax-BS表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到基站的最遠(yuǎn)距離,dCHj(i)表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)i到主簇首j的距離,dBS(i)表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)i到基站的距離,Eres(i)表示節(jié)點(diǎn)i的剩余能量,Eres(CHj)表示主簇首j的剩余能量,α、β和γ為加權(quán)系數(shù)。

進(jìn)一步地,將分布區(qū)域進(jìn)行橫向劃分包括:

節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度,計算出自身與基站之間的距離,以確定自身所在的區(qū)域;

所述基站按照下述公式計算每個區(qū)域的上下邊界:

其中,UBi、LBi分別是第i個區(qū)域的上邊界和下邊界,dmax、dmin分別是監(jiān)控區(qū)域中節(jié)點(diǎn)到達(dá)基站的最大距離和最小距離;m為區(qū)域的總數(shù);

其中,假設(shè)節(jié)點(diǎn)j距離基站的距離為dj,如果LBi<dj<UBi,那么節(jié)點(diǎn)j位于第i個區(qū)域。

進(jìn)一步地,在選舉候選主簇首時,按照下述公式確定候選主簇首的閾值:

其中,T(n)表示尚未成為候選主簇首的節(jié)點(diǎn)n對應(yīng)的閾值,p為簇首百分比,r為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的輪數(shù),G表示1/p輪中尚未成為簇首的集合,Eres和Einit分別表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量和初始能量,Nnei和Nr分別代表節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目和當(dāng)前輪數(shù)存活節(jié)點(diǎn)數(shù),c1和c2為參數(shù)控制因子,運(yùn)算符號mod為取余運(yùn)算。

進(jìn)一步地,按照下述公式確定所述競爭半徑:

其中,Rc表示所述競爭半徑,dmax表示節(jié)點(diǎn)與基站之間的最大距離,dmin表示節(jié)點(diǎn)與基站之間的最小距離,c為影響因子,表示候選主簇首的競爭半徑的最大值,d(Si,BS)為節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離。

進(jìn)一步地,所述方法還包括:

按照下述公式確定最小網(wǎng)絡(luò)通信開銷:

Erelay=d2(Si,Sj)+d2(Sj,DS)

其中,Erelay表示所述最小網(wǎng)絡(luò)通信開銷,d(Sj,BS)為節(jié)點(diǎn)Sj與基站BS間的距離,d(Si,Sj)為節(jié)點(diǎn)Si和節(jié)點(diǎn)Sj之間的距離。

本發(fā)明的有益效果在于:

1、將節(jié)點(diǎn)的分布區(qū)域劃分為多個子區(qū)域,可以更好地利用中繼節(jié)點(diǎn);

2、采用雙簇首機(jī)制,可以有效的減少主簇首的能耗,均衡網(wǎng)絡(luò)能量;

3、選擇簇首節(jié)點(diǎn)時,綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)位置信息,不僅降低了簇首節(jié)點(diǎn)重選頻率,也均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗。因此,本發(fā)明實施例有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗,延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚,本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:

圖1為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖;

圖2為本發(fā)明方法的主簇首選取的流程圖;

圖3為本發(fā)明方法的傳輸模型圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖,對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

請參閱圖1至圖3,本申請?zhí)峁┮环N基于雙簇首的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法,所述方法包括:

步驟101:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署完成后,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基站向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送初始化消息;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到所述初始化消息后向所述基站上報自身的位置、剩余能量和節(jié)點(diǎn)ID信息;所述基站根據(jù)節(jié)點(diǎn)上報的信息,獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置、ID、剩余能量,并統(tǒng)計節(jié)點(diǎn)總數(shù);

步驟102:所述基站根據(jù)統(tǒng)計的信息將分布區(qū)域進(jìn)行橫向劃分,形成至少一個子區(qū)域,每個所述子區(qū)域中包括至少一個簇;

步驟103:根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置、ID以及剩余能量,選舉出候選主簇首;根據(jù)所述候選主簇首與所述基站之間的距離,設(shè)置不同的競爭半徑,并在所述競爭半徑內(nèi)選舉出最終主簇首,并由所述最終主簇首組織成簇;

步驟104:在數(shù)據(jù)傳輸時,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主簇首,主簇首在融合數(shù)據(jù)完畢后,再交由副簇首;簇間通信時,每個副簇首從下一層級的主簇首中選擇一個主簇首作為其中繼節(jié)點(diǎn)。

在本實施方式中,在由所述最終主簇首組織成簇之后,所述方法還包括:

簇建立以后,普通節(jié)點(diǎn)向主簇首申請副簇首競選;在副簇首選舉時,基于普通節(jié)點(diǎn)到主簇首的距離、普通節(jié)點(diǎn)到基站的距離以及普通節(jié)點(diǎn)的剩余能量的大小,得到各個普通節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的選舉副簇首的權(quán)值函數(shù),并根據(jù)權(quán)值大小選出最佳副簇首。

在本實施方式中,按照下述公式確定選舉副簇首的權(quán)值函數(shù):

其中,wf(i)表示第i個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的選舉副簇首的權(quán)值函數(shù),dmax-CH表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到主簇首的最大距離,dmax-BS表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到基站的最遠(yuǎn)距離,dCHj(i)表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)i到主簇首j的距離,dBS(i)表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)i到基站的距離,Eres(i)表示節(jié)點(diǎn)i的剩余能量,Eres(CHj)表示主簇首j的剩余能量,α、β和γ為加權(quán)系數(shù)。

在本實施方式中,將分布區(qū)域進(jìn)行橫向劃分包括:

節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度,計算出自身與基站之間的距離,以確定自身所在的區(qū)域;

所述基站按照下述公式計算每個區(qū)域的上下邊界:

其中,UBi、LBi分別是第i個區(qū)域的上邊界和下邊界,dmax、dmin分別是監(jiān)控區(qū)域中節(jié)點(diǎn)到達(dá)基站的最大距離和最小距離;m為區(qū)域的總數(shù);

其中,假設(shè)節(jié)點(diǎn)j距離基站的距離為dj,如果LBi<dj<UBi,那么節(jié)點(diǎn)j位于第i個區(qū)域。

在本實施方式中,在選舉候選主簇首時,按照下述公式確定候選主簇首的閾值:

其中,T(n)表示尚未成為候選主簇首的節(jié)點(diǎn)n對應(yīng)的閾值,p為簇首百分比,r為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的輪數(shù),G表示1/p輪中尚未成為簇首的集合,Eres和Einit分別表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量和初始能量,Nnei和Nr分別代表節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目和當(dāng)前輪數(shù)存活節(jié)點(diǎn)數(shù),c1和c2為參數(shù)控制因子,運(yùn)算符號mod為取余運(yùn)算。

在本實施方式中,按照下述公式確定所述競爭半徑:

其中,Rc表示所述競爭半徑,dmax表示節(jié)點(diǎn)與基站之間的最大距離,dmin表示節(jié)點(diǎn)與基站之間的最小距離,c為影響因子,表示候選主簇首的競爭半徑的最大值,d(Si,BS)為節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離。

在本實施方式中,所述方法還包括:

按照下述公式確定最小網(wǎng)絡(luò)通信開銷:

Erelay=d2(Si,Sj)+d2(Sj,DS)

其中,Erelay表示所述最小網(wǎng)絡(luò)通信開銷,d(Sj,BS)為節(jié)點(diǎn)Sj與基站BS間的距離,d(Si,Sj)為節(jié)點(diǎn)Si和節(jié)點(diǎn)Sj之間的距離。

具體地,本發(fā)明實施例中,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型具體如下:

節(jié)點(diǎn)同構(gòu),能量有限:節(jié)點(diǎn)通過現(xiàn)有的定位技術(shù)或者接收信號強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)距離的關(guān)系獲得自身在分布區(qū)域中的具體位置;節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在L*L的區(qū)域內(nèi);基站以及網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置是固定的;基站節(jié)點(diǎn)能量持續(xù)供應(yīng),且可以向全網(wǎng)廣播數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實施例采用的網(wǎng)絡(luò)能耗模型:任意兩個可以直接通信且距離為d的節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送k比特數(shù)據(jù)的能耗為:

其中,Eelec=50nj/bit,表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的電路損耗能量;d為發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的距離;d0為參考距離,如果d<d0,功率放大損耗為自由空間模型;如果d≥d0,功率放大損耗為多路徑衰減模型;εfs和εmp分別表示兩種模型中功率放大器的放大參數(shù);當(dāng)d<d0,εfs=10pj/bit/m2;當(dāng)d≥d0,εmp=0.0013pj/bit/m4;d0滿足接收端接收k比特數(shù)據(jù)的能量為,ERx(k,d)=kEelec。

在本實施方式中,可以使用概率的方式競選簇首,一開始可以為節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個隨機(jī)數(shù),該隨機(jī)數(shù)可以收到閾值的限制。具體地,可以按照下述公式確定候選主簇首的閾值:

其中,T(n)表示尚未成為候選主簇首的節(jié)點(diǎn)n對應(yīng)的閾值,p為簇首百分比,r為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的輪數(shù),G表示1/p輪中尚未成為簇首的集合,Eres和Einit分別表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量和初始能量,Nnei和Nr分別代表節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目和當(dāng)前輪數(shù)存活節(jié)點(diǎn)數(shù),c1和c2為參數(shù)控制因子,運(yùn)算符號mod為取余運(yùn)算。

候選主簇首Si選出后,根據(jù)最終簇首選舉規(guī)則,利用候選簇首局部競爭的方法,選擇出本發(fā)明的主簇首。候選簇首局部競爭半徑Rc定義如下:

其中,Rc表示所述競爭半徑,dmax表示節(jié)點(diǎn)與基站之間的最大距離,dmin表示節(jié)點(diǎn)與基站之間的最小距離,c為影響因子,表示候選主簇首的競爭半徑的最大值,d(Si,BS)為節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離。

當(dāng)候選簇首Si競選成功后,按照一定的規(guī)則選舉出最終簇首。候選簇首S(i)的鄰居集合NS(i)定義如下:

NS(i)={S(j)|d(S(i),S(j))<max(S(i).Rc,S(j).Rc)}

根據(jù)式候選簇首鄰居集合定義可知,當(dāng)候選簇首S(i)競選成為簇首后,其鄰居集合NS(i)中所有候選簇首都不能參加競選,立刻退出競選。

節(jié)點(diǎn)Si計算NS(i)中每個節(jié)點(diǎn)的剩余能量,如果節(jié)點(diǎn)Si的剩余能量比集合中的全部節(jié)點(diǎn)的能量值大,則它當(dāng)選為簇首并廣播FINISH_ELECT_MSG消息。如果Sj接收到Si發(fā)送的FINISH_ELECT_MSG消息并且在NS(j)中,那么Sj馬上退出競選,并廣播QUIT_MSG消息告知它的鄰簇首。在所有候選簇首選舉選舉完畢后,喚醒之前未參與競選的節(jié)點(diǎn)。然后,成為簇首的節(jié)點(diǎn)在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)廣播其當(dāng)選的消息(CH_V_MSG),普通節(jié)點(diǎn)接收到CH_V_MSG消息后申請加入該簇;如果普通節(jié)點(diǎn)同時接收到多個簇首節(jié)點(diǎn)的CH_V_MSG消息,則加入具有最大接收信號強(qiáng)度的簇首的簇。

副簇首選舉:主簇首選舉完成后,形成了新的簇結(jié)構(gòu),然后進(jìn)行副簇首的選舉,主要根據(jù)節(jié)點(diǎn)到基站的距離、節(jié)點(diǎn)到主簇首的距離和節(jié)點(diǎn)剩余能量三個參數(shù)來衡量,得到的權(quán)值公式:

其中,wf(i)表示第i個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的選舉副簇首的權(quán)值函數(shù),dmax-CH表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到主簇首的最大距離,dmax-BS表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到基站的最遠(yuǎn)距離,dCHj(i)表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)i到主簇首j的距離,dBS(i)表示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)i到基站的距離,Eres(i)表示節(jié)點(diǎn)i的剩余能量,Eres(CHj)表示主簇首j的剩余能量,α、β和γ為加權(quán)系數(shù)。

主簇首將權(quán)值最大的節(jié)點(diǎn)篩選出來,作為副簇首,將此消息進(jìn)行廣播,副簇首選舉完畢,建立TMDA調(diào)度,然后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。

在本實施方式中,傳輸階段包括兩部分:簇內(nèi)傳輸和簇間傳輸。簇內(nèi)傳輸采用單跳傳輸?shù)姆绞?,簇?nèi)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主簇首,主簇首在融合數(shù)據(jù)完畢后,再交由副簇首;簇間傳輸采用多跳數(shù)據(jù)傳輸方式,各簇主簇首根據(jù)自身位置信息離基站遠(yuǎn)近確定各自的層級,多跳路由采用逐層遞進(jìn)的方式。每個簇首需要從下一層級的簇首中選擇一個作為其中繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)副簇首到基站節(jié)點(diǎn)的距離小于閾值TD_MAX時,副簇首直接與基站節(jié)點(diǎn)通信;當(dāng)副簇首到基站節(jié)點(diǎn)的距離大于閾值TD_MAX時,則采用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送給基站節(jié)點(diǎn)。當(dāng)某一副簇首節(jié)點(diǎn)Si需要選擇其他主簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)時,就從它的路由候選節(jié)點(diǎn)集合中選擇具有最小網(wǎng)絡(luò)通信開銷Erelay的兩個點(diǎn),比較兩者的剩余能量,選擇剩余能量較多的候選節(jié)點(diǎn)作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。其中,Erelay=d2(Si,Sj)+d2(Sj,DS)。

本發(fā)明的有益效果在于:

1、將節(jié)點(diǎn)的分布區(qū)域劃分為多個子區(qū)域,可以更好地利用中繼節(jié)點(diǎn);

2、采用雙簇首機(jī)制,可以有效的減少主簇首的能耗,均衡網(wǎng)絡(luò)能量;

3、選擇簇首節(jié)點(diǎn)時,綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)位置信息,不僅降低了簇首節(jié)點(diǎn)重選頻率,也均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗。因此,本發(fā)明實施例有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗,延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

最后說明的是,以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制,盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述,但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變,而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。

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