專(zhuān)利名稱(chēng)：一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將隨機(jī)分布在某一監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間協(xié)作完成感知、采集和處理目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)事件的任務(wù)。它具有部署靈活，分布式以及成本低等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在軍事、工業(yè)和醫(yī)療等民用領(lǐng)域，如生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)，事件定位，目標(biāo)跟蹤等。傳感器節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限是制約網(wǎng)絡(luò)壽命的最重要因數(shù)之一。 為了達(dá)到較高的能量效率和保證理想的網(wǎng)絡(luò)壽命，節(jié)點(diǎn)可以采用分層組織成簇的方式。將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇區(qū)，每個(gè)簇由若干個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和一個(gè)簇頭組成，簇頭為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配TDMA幀，普通節(jié)點(diǎn)按照各自的TDMA時(shí)隙周期性地在睡眠與工作間切換狀態(tài)。普通節(jié)點(diǎn)在分配的TDMA時(shí)隙到來(lái)時(shí)開(kāi)啟自己的無(wú)線通信模塊,收集數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，此時(shí)隙過(guò)后，該簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉無(wú)線通信模塊，進(jìn)入睡眠狀態(tài)；簇頭節(jié)點(diǎn)接收到所有簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)信息后對(duì)它們進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。將網(wǎng)絡(luò)以簇為單位進(jìn)行劃分，方便管理，提升了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性；同時(shí)，簇頭對(duì)簇內(nèi)數(shù)據(jù)的融合以及簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的周期性睡眠能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。低能耗自適應(yīng)分族路由協(xié)議(Low-EnergyAdaptive Clustering Hierarchy,LEACH)是傳統(tǒng)分簇路由協(xié)議中較著名的一個(gè)。協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)生命周期以“輪”為單位劃分，每一輪分為“成簇”和“穩(wěn)定傳輸”兩個(gè)階段。在成簇階段，協(xié)議通過(guò)簇頭隨機(jī)選舉的方式讓所有節(jié)點(diǎn)以等概率地成為簇頭，以達(dá)到平衡節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。然而，協(xié)議的簇頭選擇算法不能保證簇頭的均勻分布，簇頭負(fù)擔(dān)不同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，使全網(wǎng)的負(fù)載均衡性下降。同時(shí)，協(xié)議未考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗均衡問(wèn)題，沒(méi)有將節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為簇頭選舉和普通節(jié)點(diǎn)入簇的考慮因素。而且協(xié)議采用的簇間單跳通信機(jī)制增加了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和簇頭間負(fù)載的不均衡。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法。該方法設(shè)計(jì)一種簇頭多重選擇(簇頭重分布)策略來(lái)達(dá)到簇頭分布的均勻同時(shí)使得每輪的簇頭數(shù)目在一定程度上保持穩(wěn)定。主要思想為當(dāng)簇頭初步選舉后，在判定簇頭稀疏區(qū)域與簇頭密集區(qū)域的基礎(chǔ)上對(duì)其中的簇頭進(jìn)行增減，從而均勻地分布簇頭。同時(shí)設(shè)計(jì)加入了能量因素的簇頭選擇算法和非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇算法來(lái)解決節(jié)點(diǎn)間能耗不均衡的問(wèn)題。主要思想為根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的不同來(lái)控制其負(fù)載(即是否成為簇頭和簇的大小)，以期達(dá)到能量均衡的目標(biāo)。而且還引入簇間通信的多跳機(jī)制，能夠減少直接與基站通信的簇頭數(shù)量，在一定程度上能降低網(wǎng)絡(luò)能耗，均衡簇頭間的負(fù)載。主要思想為各簇頭分別采用啟發(fā)式的方法計(jì)算最小能量消耗的轉(zhuǎn)發(fā)路徑(按自由空間模型)，據(jù)此各自選擇下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)簇頭，通過(guò)這種簇頭間的分布式計(jì)算生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多跳路由。并且通過(guò)設(shè)定基站直接通信范圍的方式減輕多跳機(jī)制所產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”問(wèn)題和延遲問(wèn)題。運(yùn)行本路由方法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期以“輪”為單位劃分，網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中首個(gè)節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而死亡。該路由方法每輪的執(zhí)行包括如下步驟
步驟I)集合G中的節(jié)點(diǎn)將閾值T(n)與一個(gè)0到I之間的隨機(jī)值X做比較，若X < T(n)，則該節(jié)點(diǎn)成為簇頭；每輪初始時(shí)集合G中的元素為最近t輪中未成為過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)。步驟2)上一步中選出的簇頭按各自的時(shí)間Ti廣播通知給其他所有節(jié)點(diǎn)，其中附帶簇頭剩余能量信息Ei和簇頭自身到基站的距離Clus (下標(biāo)i表示節(jié)點(diǎn)自身);若有還在等 待發(fā)送通知的簇頭收到其他簇頭通知的信號(hào)強(qiáng)度大于閾值P1,則取消發(fā)送通知，并選擇 成為普通節(jié)點(diǎn)。步驟3)所有節(jié)點(diǎn)接收到簇頭的廣播包后，除了得到其中附帶的該簇頭到基站的距離dk，BS (下標(biāo)k (k幸i)表示除自身以外的其他節(jié)點(diǎn))夕卜，還可以根據(jù)收到廣播的信號(hào)強(qiáng)度估算出自身與該簇頭間的距離du，并將上述兩個(gè)值保存下來(lái)；同時(shí)所有普通節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的通知，進(jìn)行如下的判斷和選擇首先將收到的通知的信號(hào)強(qiáng)度Pra與閾值P2進(jìn)行比較，若Prec ^ P2，則設(shè)定針對(duì)該簇頭的重選標(biāo)記CH^ReSelect為false，否則為true ;然后依次對(duì)收到的通知信號(hào)進(jìn)行比較，只保留符合條件的通知的發(fā)送簇頭信息，比較的方式如下若兩者的CH^ReSelect均標(biāo)記為false，則保留參數(shù)Di最大者,Di為Ei與PM。之積；否則，保留PM。最大者；若本輪首次執(zhí)行步驟3)，轉(zhuǎn)至步驟4);否則跳轉(zhuǎn)至步驟5)。步驟4)更新集合G中的節(jié)點(diǎn)為步驟3)中最后保留下來(lái)的簇頭信息的重選標(biāo)記CHi_ReSelect為true的普通節(jié)點(diǎn)，跳轉(zhuǎn)至步驟I)。步驟5)普通節(jié)點(diǎn)向步驟3)中最終保留下來(lái)的簇頭發(fā)送入簇申請(qǐng)；簇頭根據(jù)收到的普通節(jié)點(diǎn)入簇申請(qǐng)進(jìn)行建簇，安排穩(wěn)定傳送階段的TDMA時(shí)序表，廣播給簇成員節(jié)點(diǎn)。步驟6)簇頭根據(jù)步驟3)中保存下來(lái)的距離信息，決定自身的下一跳簇頭或直接向基站發(fā)送信息。具體如下若簇頭自身到基站的距離(1@小于閾值dth2，則該簇頭直接向基站發(fā)送信息，不再尋求下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)；其余簇頭選擇同時(shí)滿足如下三個(gè)條件的簇頭，作為下一跳的待選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)
條件I.簇頭自身到保存信息中的其他簇頭的距離du小于閾值dthl ；
條件2. di；k小于族頭自身到基站的距尚di；BS ；
條件3.保存信息中的其他簇頭到基站的距離dk，BS小于屯；。取其中dk，BS2+ U最小的簇頭作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。若同時(shí)滿足上述三個(gè)條件的節(jié)點(diǎn)不存在則直接向基站發(fā)送信息。步驟7)所有普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的TDMA時(shí)序表，在分配好的時(shí)隙將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭，其他的時(shí)間則進(jìn)入休眠狀態(tài)；簇頭接收到所有簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后以多跳的方式發(fā)送到基站；經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間的數(shù)據(jù)傳送之后，在重新開(kāi)始新一輪之前，所有簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)在本輪最后一次向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)附帶自身的剩余能量信息，簇頭經(jīng)過(guò)計(jì)算后將該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量Ee 和最大剩余能量廣播給簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明相較與傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)如下
I)設(shè)計(jì)了一種簇頭多重選擇(簇頭重分布)策略來(lái)達(dá)到簇頭分布的均勻同時(shí)使得每輪的簇頭數(shù)目在一定程度上保持穩(wěn)定。當(dāng)簇頭初步選舉后，在判定簇頭稀疏區(qū)域與簇頭密集區(qū)域的基礎(chǔ)上對(duì)其中的簇頭進(jìn)行增減，從而均勻地分布簇頭。2)加入了對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量這一因素的考量，設(shè)計(jì)新的簇頭選擇算法和非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇算法來(lái)解決各節(jié)點(diǎn)能量消耗的獨(dú)立性所產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)間能耗不均衡的問(wèn)題。根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的不同來(lái)控制其負(fù)載(即是否成為簇頭和簇的大小)，以期達(dá)到能量均衡的目標(biāo)。3)引入了簇間多跳通信機(jī)制，各簇頭分別采用啟發(fā)式的方法計(jì)算最小能量消耗的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，據(jù)此各自選擇下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)簇頭，通過(guò)這種簇頭間的分布式計(jì)算生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多跳路由。解決了簇間單跳通信引起的能耗過(guò)大和不均衡問(wèn)題。并且通過(guò)設(shè)定基站直接通信范圍的方式來(lái)減輕多跳機(jī)制所產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”問(wèn)題和延遲問(wèn)題。4)由于存在以上三方面優(yōu)點(diǎn)，本路由方法相比傳統(tǒng)分簇路由方法，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，均衡了節(jié)點(diǎn)間的能量，顯著地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。5)本路由方法的控制消息開(kāi)銷(xiāo)僅為(I + 2P) X N，小于或等于傳統(tǒng)分簇路由方法，P為簇頭比例，N為節(jié)點(diǎn)數(shù)。同時(shí)需要增加的報(bào)文長(zhǎng)度僅為IObits左右，影響極小。


圖I為本發(fā)明技術(shù)采用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型示意 圖2為本發(fā)明技術(shù)的流程 圖3為簇間多跳通信機(jī)制運(yùn)作的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明
如圖I所示，本發(fā)明采用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型為N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)(這里N我們?cè)O(shè)定為100)隨機(jī)地分布在Xm X Ym的
二維平面區(qū)域內(nèi)，基站(sink節(jié)點(diǎn))則設(shè)置在監(jiān)測(cè)區(qū)域外來(lái)接收簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)并處理。所有N個(gè)節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，即節(jié)點(diǎn)完全相同，地位相等，且具有相等的初始能量。而且，節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署好之后，不再人為地移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都靜止不動(dòng)，我們用坐標(biāo)區(qū)域X= (0, J), y=(0,7)來(lái)表示X 3 的二維平面(這里我們?cè)O(shè)定X=100，Y=IOOX在網(wǎng)絡(luò)部署完后，基站將廣播一個(gè)“hello”信息到所有節(jié)點(diǎn)，在一個(gè)已知的固定功率強(qiáng)度，根據(jù)收到的基站廣播的信號(hào)強(qiáng)度，所有節(jié)點(diǎn)可以估算出關(guān)于節(jié)點(diǎn)自身到基站BS距離的一個(gè)近似值di^。如圖2所示，本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)具體運(yùn)行流程以“輪”為單位，直至網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束。這里網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束被定義為網(wǎng)絡(luò)中首個(gè)節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而死亡。每一輪可以分為兩大部分成簇階段和穩(wěn)定傳輸階段。其中成簇階段又可以分為兩部分簇頭選擇階段和非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇階段。
這里將不同的節(jié)點(diǎn)身份狀態(tài)作簡(jiǎn)略描述所有節(jié)點(diǎn)在每輪的成簇階段開(kāi)始時(shí)都是處于相同的狀態(tài)和地位；經(jīng)過(guò)簇頭選擇階段之后被劃分為簇頭節(jié)點(diǎn)和非簇頭節(jié)點(diǎn)(即普通節(jié)點(diǎn))；經(jīng)過(guò)非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇階段后所有非簇頭節(jié)點(diǎn)加入某個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)所在的簇，成為其中的簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)。結(jié)合圖2中的標(biāo)記，每一輪的具體步驟如下
成簇階段
簇頭選擇階段
1)集合G中的節(jié)點(diǎn)將閾值T(n)與一個(gè)0到I之間的隨機(jī)值X做比較，若X < T (n)，則該節(jié)點(diǎn)成為簇頭；每輪初始時(shí)集合G中的元素為最近t輪中未成為過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)；若本輪首次執(zhí)行步驟1)，T(n)根據(jù)下式計(jì)算得到
權(quán)利要求
1.一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法，其特征在于運(yùn)行本路由方法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期以“輪”為單位劃分，網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中首個(gè)節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而死亡；該路由方法每輪的執(zhí)行包括如下步驟 步驟I)集合G中的節(jié)點(diǎn)將閾值T(n)與一個(gè)O到I之間的隨機(jī)值X做比較，若X < T(n)，則該節(jié)點(diǎn)成為簇頭；每輪初始時(shí)集合G中的元素為最近t輪中未成為過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)； 步驟2)上一步中選出的簇頭按各自的時(shí)間Ti廣播通知給其他所有節(jié)點(diǎn)，其中附帶簇頭剩余能量信息Ei和簇頭自身到基站的距離C^bs,下標(biāo)i表示節(jié)點(diǎn)自身；若有還在等待發(fā)送通知的簇頭收到其他簇頭通知的信號(hào)強(qiáng)度Pm。大于閾值P1，則取消發(fā)送通知，并選擇成為普通節(jié)點(diǎn)； 步驟3)所有節(jié)點(diǎn)接收到簇頭的廣播包后，除了得到其中附帶的該簇頭到基站的距離dtBS，下標(biāo)k表示除自身以外的其他節(jié)點(diǎn)外，k幸i，還可以根據(jù)收到廣播的信號(hào)強(qiáng)度估算出自身與該簇頭間的距離du，并將上述兩個(gè)值保存下來(lái)；同時(shí)所有普通節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的通知，進(jìn)行如下的判斷和選擇首先將收到的通知的信號(hào)強(qiáng)度Pra與閾值P2進(jìn)行比較，若Prec ^ P2，則設(shè)定針對(duì)該簇頭的重選標(biāo)記CH^ReSelect為false，否則為true ;然后依次對(duì)收到的通知信號(hào)進(jìn)行比較，只保留符合條件的通知的發(fā)送簇頭信息，比較的方式如下若兩者的CH^ReSelect均標(biāo)記為false，則保留參數(shù)Di最大者,Di為Ei與PM。之積；否則，保留Prec最大者；若本輪首次執(zhí)行步驟3)，轉(zhuǎn)至步驟4);否則跳轉(zhuǎn)至步驟5)； 步驟4)更新集合G中的節(jié)點(diǎn)為步驟3)中最后保留下來(lái)的簇頭信息的重選標(biāo)記CHi_ReSelect為true的普通節(jié)點(diǎn)，跳轉(zhuǎn)至步驟I)； 步驟5)普通節(jié)點(diǎn)向步驟3)中最終保留下來(lái)的簇頭發(fā)送入簇申請(qǐng)；簇頭根據(jù)收到的普通節(jié)點(diǎn)入簇申請(qǐng)進(jìn)行建簇，安排穩(wěn)定傳送階段的TDMA時(shí)序表，廣播給簇成員節(jié)點(diǎn)； 步驟6)簇頭根據(jù)步驟3)中保存下來(lái)的距離信息，決定自身的下一跳簇頭或直接向基站發(fā)送信息；具體如下若簇頭自身到基站的距離Clus小于閾值dth2，則該簇頭直接向基站發(fā)送信息，不再尋求下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)；其余簇頭選擇同時(shí)滿足如下三個(gè)條件的簇頭，作為下一跳的待選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn) 條件I.簇頭自身到保存信息中的其他簇頭的距離du小于閾值dthl ； 條件2. di；k小于族頭自身到基站的距尚di；BS ； 條件3.保存彳目息中的其他族頭到基站的距尚dk，BS小于C^bs ； 取其中dk，BS2+ du2最小的簇頭作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；若同時(shí)滿足上述三個(gè)條件的節(jié)點(diǎn)不存在則直接向基站發(fā)送信息； 步驟7)所有普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的TDMA時(shí)序表，在分配好的時(shí)隙將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭，其他的時(shí)間則進(jìn)入休眠狀態(tài)；簇頭接收到所有簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后以多跳的方式發(fā)送到基站；經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間的數(shù)據(jù)傳送之后，在重新開(kāi)始新一輪之前，所有簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)在本輪最后一次向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)附帶自身的剩余能量信息，簇頭經(jīng)過(guò)計(jì)算后將該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量E。 和最大剩余能量EcmIax廣播給簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法?，F(xiàn)有的分簇路由方法存在著簇頭數(shù)目不穩(wěn)定和分布不合理、欠缺對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量的考慮和簇間單跳通信引起的簇頭能耗過(guò)大和不均衡三方面的問(wèn)題。本發(fā)明主要包含三方面內(nèi)容成簇階段的簇頭多重選擇的策略、考慮了能量因素的簇頭選擇算法和非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇算法和穩(wěn)定傳輸階段的啟發(fā)式簇間多跳通信機(jī)制。本發(fā)明使得生成的簇頭數(shù)目較為穩(wěn)定，簇頭的分布較為均勻，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，均衡了節(jié)點(diǎn)間的能量，顯著地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號(hào)H04W52/02GK102711180SQ20121017179
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者徐向華, 蔡延耀 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)