專利名稱：一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法
技術領域：
本發明主要涉及無線傳感器網絡領域，特別涉及一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法。
背景技術：
無線傳感器網絡是通過無線通信技術將隨機分布在某一監測區域的大量傳感器節點以自組織的方式構成網絡，節點間協作完成感知、采集和處理目標監測區域內事件的任務。它具有部署靈活，分布式以及成本低等特點，目前已廣泛應用在軍事、工業和醫療等民用領域，如生態環境監測、基礎設施保護，事件定位，目標跟蹤等。傳感器節點通常由電池供電，節點能量有限是制約網絡壽命的最重要因數之一。 為了達到較高的能量效率和保證理想的網絡壽命，節點可以采用分層組織成簇的方式。將網絡劃分為多個簇區，每個簇由若干個普通節點和一個簇頭組成，簇頭為簇內節點分配TDMA幀，普通節點按照各自的TDMA時隙周期性地在睡眠與工作間切換狀態。普通節點在分配的TDMA時隙到來時開啟自己的無線通信模塊,收集數據，并將收集到的數據發送給簇頭節點，此時隙過后，該簇內節點關閉無線通信模塊，進入睡眠狀態；簇頭節點接收到所有簇內成員的數據信息后對它們進行數據融合，再將融合后的數據發送到基站。將網絡以簇為單位進行劃分，方便管理，提升了網絡的可擴展性；同時，簇頭對簇內數據的融合以及簇內節點的周期性睡眠能夠節省網絡能耗，從而延長網絡壽命。低能耗自適應分族路由協議(Low-EnergyAdaptive Clustering Hierarchy,LEACH)是傳統分簇路由協議中較著名的一個。協議將網絡生命周期以“輪”為單位劃分，每一輪分為“成簇”和“穩定傳輸”兩個階段。在成簇階段，協議通過簇頭隨機選舉的方式讓所有節點以等概率地成為簇頭，以達到平衡節點能耗，延長網絡壽命的目的。然而，協議的簇頭選擇算法不能保證簇頭的均勻分布，簇頭負擔不同數量的節點，使全網的負載均衡性下降。同時，協議未考慮網絡節點的能耗均衡問題，沒有將節點的剩余能量作為簇頭選舉和普通節點入簇的考慮因素。而且協議采用的簇間單跳通信機制增加了網絡的能量消耗和簇頭間負載的不均衡。
發明內容
為了解決以上技術問題，本發明提供了一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法。該方法設計一種簇頭多重選擇(簇頭重分布)策略來達到簇頭分布的均勻同時使得每輪的簇頭數目在一定程度上保持穩定。主要思想為當簇頭初步選舉后，在判定簇頭稀疏區域與簇頭密集區域的基礎上對其中的簇頭進行增減，從而均勻地分布簇頭。同時設計加入了能量因素的簇頭選擇算法和非簇頭節點入簇算法來解決節點間能耗不均衡的問題。主要思想為根據節點剩余能量的不同來控制其負載(即是否成為簇頭和簇的大小)，以期達到能量均衡的目標。而且還引入簇間通信的多跳機制，能夠減少直接與基站通信的簇頭數量，在一定程度上能降低網絡能耗，均衡簇頭間的負載。主要思想為各簇頭分別采用啟發式的方法計算最小能量消耗的轉發路徑(按自由空間模型)，據此各自選擇下一跳的轉發簇頭，通過這種簇頭間的分布式計算生成整個網絡的多跳路由。并且通過設定基站直接通信范圍的方式減輕多跳機制所產生的“熱點”問題和延遲問題。運行本路由方法的無線傳感器網絡的生命周期以“輪”為單位劃分，網絡生命周期結束的時間點為網絡中首個節點因能量耗盡而死亡。該路由方法每輪的執行包括如下步驟
步驟I)集合G中的節點將閾值T(n)與一個0到I之間的隨機值X做比較，若X < T(n)，則該節點成為簇頭；每輪初始時集合G中的元素為最近t輪中未成為過簇頭的節點。步驟2)上一步中選出的簇頭按各自的時間Ti廣播通知給其他所有節點，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i表示節點自身);若有還在等 待發送通知的簇頭收到其他簇頭通知的信號強度大于閾值P1,則取消發送通知，并選擇 成為普通節點。步驟3)所有節點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k (k幸i)表示除自身以外的其他節點)夕卜，還可以根據收到廣播的信號強度估算出自身與該簇頭間的距離du，并將上述兩個值保存下來；同時所有普通節點對收到的通知，進行如下的判斷和選擇首先將收到的通知的信號強度Pra與閾值P2進行比較，若Prec ^ P2，則設定針對該簇頭的重選標記CH^ReSelect為false，否則為true ;然后依次對收到的通知信號進行比較，只保留符合條件的通知的發送簇頭信息，比較的方式如下若兩者的CH^ReSelect均標記為false，則保留參數Di最大者,Di為Ei與PM。之積；否則，保留PM。最大者；若本輪首次執行步驟3)，轉至步驟4);否則跳轉至步驟5)。步驟4)更新集合G中的節點為步驟3)中最后保留下來的簇頭信息的重選標記CHi_ReSelect為true的普通節點，跳轉至步驟I)。步驟5)普通節點向步驟3)中最終保留下來的簇頭發送入簇申請；簇頭根據收到的普通節點入簇申請進行建簇，安排穩定傳送階段的TDMA時序表，廣播給簇成員節點。步驟6)簇頭根據步驟3)中保存下來的距離信息，決定自身的下一跳簇頭或直接向基站發送信息。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送信息，不再尋求下一跳的轉發；其余簇頭選擇同時滿足如下三個條件的簇頭，作為下一跳的待選轉發節點
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發節點。若同時滿足上述三個條件的節點不存在則直接向基站發送信息。步驟7)所有普通節點根據接收到的TDMA時序表，在分配好的時隙將監測到的數據傳送給簇頭，其他的時間則進入休眠狀態；簇頭接收到所有簇內成員節點的數據后，進行數據融合，然后以多跳的方式發送到基站；經過設定時間的數據傳送之后，在重新開始新一輪之前，所有簇內成員節點在本輪最后一次向簇頭發送數據時附帶自身的剩余能量信息，簇頭經過計算后將該簇內所有節點的平均剩余能量Ee 和最大剩余能量廣播給簇內成員節點。本發明相較與傳統方法的優點如下
I)設計了一種簇頭多重選擇(簇頭重分布)策略來達到簇頭分布的均勻同時使得每輪的簇頭數目在一定程度上保持穩定。當簇頭初步選舉后，在判定簇頭稀疏區域與簇頭密集區域的基礎上對其中的簇頭進行增減，從而均勻地分布簇頭。2)加入了對節點剩余能量這一因素的考量，設計新的簇頭選擇算法和非簇頭節點入簇算法來解決各節點能量消耗的獨立性所產生的節點間能耗不均衡的問題。根據節點剩余能量的不同來控制其負載(即是否成為簇頭和簇的大小)，以期達到能量均衡的目標。3)引入了簇間多跳通信機制，各簇頭分別采用啟發式的方法計算最小能量消耗的轉發路徑，據此各自選擇下一跳的轉發簇頭，通過這種簇頭間的分布式計算生成整個網絡的多跳路由。解決了簇間單跳通信引起的能耗過大和不均衡問題。并且通過設定基站直接通信范圍的方式來減輕多跳機制所產生的“熱點”問題和延遲問題。4)由于存在以上三方面優點，本路由方法相比傳統分簇路由方法，有效地降低了網絡的能量消耗，均衡了節點間的能量，顯著地延長了網絡的生命周期。5)本路由方法的控制消息開銷僅為(I + 2P) X N，小于或等于傳統分簇路由方法，P為簇頭比例，N為節點數。同時需要增加的報文長度僅為IObits左右，影響極小。
圖I為本發明技術采用的無線傳感器網絡模型示意 圖2為本發明技術的流程 圖3為簇間多跳通信機制運作的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明
如圖I所示，本發明采用的無線傳感器網絡模型為N個傳感器節點(這里N我們設定為100)隨機地分布在Xm X Ym的
二維平面區域內，基站(sink節點)則設置在監測區域外來接收簇頭發送的數據并處理。所有N個節點同構，即節點完全相同，地位相等，且具有相等的初始能量。而且，節點傳感器網絡部署好之后，不再人為地移動節點，所有節點都靜止不動，我們用坐標區域X= (0, J), y=(0,7)來表示X 3 的二維平面(這里我們設定X=100，Y=IOOX在網絡部署完后，基站將廣播一個“hello”信息到所有節點，在一個已知的固定功率強度，根據收到的基站廣播的信號強度，所有節點可以估算出關于節點自身到基站BS距離的一個近似值di^。如圖2所示，本發明的網絡具體運行流程以“輪”為單位，直至網絡生命周期結束。這里網絡生命周期結束被定義為網絡中首個節點因能量耗盡而死亡。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點入簇階段。
這里將不同的節點身份狀態作簡略描述所有節點在每輪的成簇階段開始時都是處于相同的狀態和地位；經過簇頭選擇階段之后被劃分為簇頭節點和非簇頭節點(即普通節點)；經過非簇頭節點入簇階段后所有非簇頭節點加入某個簇頭節點所在的簇，成為其中的簇內成員節點。結合圖2中的標記，每一輪的具體步驟如下
成簇階段
簇頭選擇階段
1)集合G中的節點將閾值T(n)與一個0到I之間的隨機值X做比較，若X < T (n)，則該節點成為簇頭；每輪初始時集合G中的元素為最近t輪中未成為過簇頭的節點；若本輪首次執行步驟1)，T(n)根據下式計算得到
權利要求
1.一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法，其特征在于運行本路由方法的無線傳感器網絡的生命周期以“輪”為單位劃分，網絡生命周期結束的時間點為網絡中首個節點因能量耗盡而死亡；該路由方法每輪的執行包括如下步驟 步驟I)集合G中的節點將閾值T(n)與一個O到I之間的隨機值X做比較，若X < T(n)，則該節點成為簇頭；每輪初始時集合G中的元素為最近t輪中未成為過簇頭的節點； 步驟2)上一步中選出的簇頭按各自的時間Ti廣播通知給其他所有節點，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i表示節點自身；若有還在等待發送通知的簇頭收到其他簇頭通知的信號強度Pm。大于閾值P1，則取消發送通知，并選擇成為普通節點； 步驟3)所有節點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k表示除自身以外的其他節點外，k幸i，還可以根據收到廣播的信號強度估算出自身與該簇頭間的距離du，并將上述兩個值保存下來；同時所有普通節點對收到的通知，進行如下的判斷和選擇首先將收到的通知的信號強度Pra與閾值P2進行比較，若Prec ^ P2，則設定針對該簇頭的重選標記CH^ReSelect為false，否則為true ;然后依次對收到的通知信號進行比較，只保留符合條件的通知的發送簇頭信息，比較的方式如下若兩者的CH^ReSelect均標記為false，則保留參數Di最大者,Di為Ei與PM。之積；否則，保留Prec最大者；若本輪首次執行步驟3)，轉至步驟4);否則跳轉至步驟5)； 步驟4)更新集合G中的節點為步驟3)中最后保留下來的簇頭信息的重選標記CHi_ReSelect為true的普通節點，跳轉至步驟I)； 步驟5)普通節點向步驟3)中最終保留下來的簇頭發送入簇申請；簇頭根據收到的普通節點入簇申請進行建簇，安排穩定傳送階段的TDMA時序表，廣播給簇成員節點； 步驟6)簇頭根據步驟3)中保存下來的距離信息，決定自身的下一跳簇頭或直接向基站發送信息；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送信息，不再尋求下一跳的轉發；其余簇頭選擇同時滿足如下三個條件的簇頭，作為下一跳的待選轉發節點 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發節點；若同時滿足上述三個條件的節點不存在則直接向基站發送信息； 步驟7)所有普通節點根據接收到的TDMA時序表，在分配好的時隙將監測到的數據傳送給簇頭，其他的時間則進入休眠狀態；簇頭接收到所有簇內成員節點的數據后，進行數據融合，然后以多跳的方式發送到基站；經過設定時間的數據傳送之后，在重新開始新一輪之前，所有簇內成員節點在本輪最后一次向簇頭發送數據時附帶自身的剩余能量信息，簇頭經過計算后將該簇內所有節點的平均剩余能量E。 和最大剩余能量EcmIax廣播給簇內成員節點。
全文摘要
本發明涉及一種簇頭多重選擇能量均衡路由方法。現有的分簇路由方法存在著簇頭數目不穩定和分布不合理、欠缺對節點剩余能量的考慮和簇間單跳通信引起的簇頭能耗過大和不均衡三方面的問題。本發明主要包含三方面內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點入簇算法和穩定傳輸階段的啟發式簇間多跳通信機制。本發明使得生成的簇頭數目較為穩定，簇頭的分布較為均勻，有效地降低了網絡的能量消耗，均衡了節點間的能量，顯著地延長了網絡的生命周期。
文檔編號H04W52/02GK102711180SQ20121017179
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月25日 優先權日2012年5月25日
發明者徐向華, 蔡延耀 申請人:杭州電子科技大學