CN101715243A - 一种无线传感器网络层次式分簇路由方法 - Google Patents

Abstract

无线传感器网络的层次式分簇路由方法，其基本的***组成包括：普通节点、中继节点、源节点、汇聚节点、簇头，该方法将分簇思想与多跳方式结合起来，提出一种新型的层次式分簇路由算法，对LEACH协议的缺点进行了改进。分簇的方式可以降低网络延迟，是最优化能量使用效率的方式，多跳的方式可以充分发挥数据融合的作用减少数据量。将网络中的节点划分为若干个层次，再结合分簇方法，同时采用簇内簇头轮换机制，提高网络的生存时间。

Description

一种无线传感器网络层次式分簇路由方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的层次式分簇路由方法。该方法传感数据及时、准确、高效地传输提供保障，属于传感器网络技术和无线通信技术的交叉领域。

背景技术

无线传感器网络技术是伴随着通信技术、微***技术、计算技术等技术的发展而产生的，它能协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内监测对象的信息，在交通、军事、医疗等领域有广阔的应用前景。但无线传感器网络有自身的不足，相对于传统无线网络而言，主要表现在节点的能量有限、处理能力、存储容量、和通信带宽等几个方面。由于传感器节点是由电池供电，能量有限的问题尤为突出。在无线传感器网络中，无线通信是能量的主要消耗者。路由算法选择采集信息和控制消息的传输路径，决定哪些节点形成转发路径，路径上的所有节点都要消耗一定的能量来转发数据，因此路由算法是影响传感器节点能量消耗的重要因素之一。

发明人在研究中发现，在节点随机撒播的传感器网络中，利用密集部署的各个节点建立多条从源节点到目的节点的数据传输路径，将能够有效提高节点的传输效率，提升其数据传输成功率，分簇的方式可以降低网络延迟，是最优化能量使用效率的方式，多跳的方式可以充分发挥数据融合的作用减少数据量。将网络中的节点划分为若干个层次，再结合分簇方法，同时采用簇内簇头轮换机制，提高网络的生存时间。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无线传感器网络层次式分簇方法，该方法以密集部署的无线传感器网络节点为依托，以提高传感器网络生存时间为目标，构建从源节点到目的节点的传感数据传输路径，保证了传感数据和普通传感数据及时、可靠地到达目的节点。

技术方案：本发明建立了一种无线传感器网络的层次式分簇路由方法，其基本的***组成包括：

普通节点：可以感知其周围空间的温度、湿度、光照度、气体浓度等环境信息的无线传感器网络节点。普通节点同时具备数据包转发能力，可以将其自身产生的传感数据或接收到的其它节点的传感数据发送到其通信能力可达的任何节点；中继节点：具备数据转发能力的节点。本发明中定义网络中任何普通节点都可以成为中继节点。中继节点拥有一块数据接收缓冲区，用于暂存接收到的数据，一旦该数据被中继节点处理完毕，则其占用的部分缓冲区将释放；

源节点：具有传感能力并发出传感数据的普通节点；

汇聚节点：传感数据最终传输到的节点；

簇头：一个簇的非簇头节点将其数据都发送给簇头节点，为减少冗余数据的传输，簇头节点，将数据发送给下一跳的簇头，最后传给汇聚节点。

定义

层：这里的层次是将网络中的所有节点化为几个层次，每个层次的簇都要承担后面层次的簇发来的数据的转发任务。

构建时间：网络一层中簇划分好所需要的时间。

自由节点：未加入任何簇的节点。

本发明无线传感器网络的层次式分簇路由方法所包含的步骤为：

1)在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量E、相同通信能力与传感能力的传感器节点，传感器节点知道自己的地理位置；各个传感器节点有自己唯一的ID，每个节点都能感知自己的剩余能量，撒布的传感器节点总数已知，网络中的不计汇聚节点的节点总数为M；

2)汇聚节点部署在网络的顶端，各个普通传感器节点可以直接和汇聚节点通信，汇聚节点的功率和数据处理能力要远强于普通传感器节点；

3)将无线传感器网络的普通节点划分为若干层次，在层次间采用多跳方式传输数据，所以划分的层次不宜过多，否则会造成较大的延迟；将无线传感器网络划分为n个层次，考虑到传感器网络采用多跳的方式传输数据，越靠近汇聚节点的层次所担负的任务越重，从网络能量的均衡消耗角度，传感器网络的各个层次中节点数目应该从第1层到第n层依次减少，最靠近汇聚节点的层次为第1层，最远离汇聚节点的层为最后一层，设其节点数目为a，节点数目线性增加，即从最后一层到第一层中的节点数目依次为a，2a，3a，…，na，则a+2a+3a+…+na＝M，

若

不是整数，则各层划分后还剩下的节点归为第一层，各层的节点数目因此确定；

4)簇头选择和簇建立：由于采用多跳方式传输数据，越靠近汇聚节点的簇所负担的转发负荷越大，各个层次的簇中节点数目按离汇聚节点的距离增大而依次减小；第一层要担负后面各层传来的数据的转发任务，所以第一层的各簇中的节点数目应该多些，以便分担转发任务；为了防止某一簇的负载过大，设定各个层次中簇的数量相等，每一簇担任后面一层中的某簇的转发任务，设最后一层中簇的节点为k，要求k能被a整除；则从簇的数目比例均衡的角度看，从最后一层到第一层的各簇中节点的数目依次为k，2k，3k，…，nk。设t为某层中设定的簇节点的数目，各个层开始组织建簇，簇成员一定是和自己在同一层中的节点，建簇的原则是，最靠近区域边缘的节点作为簇头；令R代表最后确定的簇半径，网络中节点的密度为则由于每次都是选择最靠近边缘的未加入任何簇的节点作为簇头，所以此在此节点的簇半径R覆盖范围内至少有一半的区域没有自由节点，所以为了保证簇中节点的数目，设r为当前簇头节点的簇半径，有

所以为了保证簇中节点的数目，令R＝2r，得簇半径簇头节点选择距离自己最近的自由节点作为自己簇的成员节点，直到到达规定的簇成员数目，或是在簇半径内没有自由节点了，这样，在各层中所有节点都已经加入簇中，规定，某层簇成员数目小于

的簇，将其拆分，划入其他周围的簇中，划分的原则是簇成员节点寻找离自己最近簇头，但此时可能有簇的成员数目过多，规定若一个簇中成员节点的数目多于

则将其拆分为若干个簇成员数目为t和大于

小于

的簇。至此所有的节点都已经划分完毕；

5)待各个层中的簇划定后，统计各层中的簇数目，然后各层对本层簇进行编号，编号的原则是按簇头节点离网络边缘的远近依次从1开始编号，之后建立自己的路由表，第j+1层的h簇，选择第j层的第h簇作为下一跳，由于各个层中的簇的数目差不多，所以基本能一一对应，个别对应不上的，可以令其选择一个离自己最近的前层中的簇作为自己的下一跳，加入自己的路由表中；

6)在多跳路由中，有可能一个簇的能量消耗比其它同层中的簇大得多，这时从传感器网络的整体考虑，应该均衡各个簇中的能量消耗，即当一个簇中能量小于原始能量的50％的节点数大于簇中节点数的50％时，则计算

E1是此簇中总的剩余能量，E2是簇的初始能量，c是一个簇中节点能量小于初始能量50％的比例。对比各个簇的Y，选择Y大的簇，使上一跳再更新路由表，如果找不到，则继续在此簇转发。

有益效果：作为一种无线传感器网络的层次式分簇路由方法，本发明具有以下一些有益成果：

1.LEACH协议的簇头的选择是一个随机过程，无法保证簇头数目的实际产生数量，本发明保证了簇头的实际产生数量；

2.本发明保证了簇头在网络中的合理分布，即避免了簇头节点有可能很集中，覆盖区域严重重叠，也可能出现一部分区域没有簇头节点的情况，比较均匀的覆盖了网络；

3.在簇头的重新选择中，考虑到了剩余节点的能量大小，避免了选择的簇头的剩余能量过小、能量很快耗尽的情况，均匀了网络的负载平衡程度，提高了网络的整体性能；

4.在多跳路由中，有可能一个簇的能量消耗比其它同层中的簇大得多，本发明从传感器网络的整体考虑，均衡了各个簇中的能量消耗；

5.LEACH协议的分簇机制使得每次簇的重构过程中会浪费一定的能量，本发明一旦簇形成后，簇就固定不变，避免了此类的能量消耗；

附图说明

图1是本发明所面向的无线传感器网络结构。

图2是通过多跳传输路径，将传感数据传送到汇聚节点。

具体实施方式

本发明沿袭LEACH算法的分簇思想，结合多跳方式，提出一种新型的层次式分簇路由算法，对LEACH的缺点进行了改进。分簇的方式可以降低网络延迟，是最优化能量使用效率的方式，多跳的方式可以充分发挥数据融合的作用减少数据量。本发明将网络中的节点划分为若干个层次，再结合分簇方法，同时采用簇内簇头轮换机制，提高网络的生存时间。其具体实施方式为：

1)在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量E、相同通信能力与传感能力的传感器节点，传感器节点知道自己的地理位置。各个传感器节点有自己唯一的ID，每个节点都能感知自己的剩余能量，撒布的传感器节点总数已知，网络中的节点总数为M(不计汇聚节点)，覆盖区域的面积为S；

2)汇聚节点部署在网络的顶端，各个普通传感器节点可以直接和汇聚节点通信，汇聚节点的功率和数据处理能力要远强于普通传感器节点；

3)将无线传感器网络的普通节点划分为若干层次，在层次间采用多跳方式传输数据，所以划分的层次不宜过多，否则会造成较大的延迟。本发明将无线传感器网络划分为n个层次。考虑到传感器网络采用多跳的方式传输数据，越靠近汇聚节点的层次所担负的任务越重，从网络能量的均衡消耗角度，传感器网络的各个层次中节点数目应该从第1层到第n层依次减少。最靠近汇聚节点的层次为第1层。最远离汇聚节点的层为最后一层，设其节点数目为a，节点数目线性增加，即从最后一层到第一层中的节点数目依次为a，2a，3a，…，na。则

a+2a+3a+…+na＝M，

若

不是整数，则各层划分后还剩下的节点归为第一层，各层的节点数目因此确定；

4)簇头选择和簇建立。由于采用多跳方式传输数据，越靠近汇聚节点的簇所负担的转发负荷越大，所以各个层次的簇中节点数目按离汇聚节点的距离增大而依次减小。第一层要担负后面各层传来的数据的转发任务，所以第一层的各簇中的节点数目应该多些，以便分担转发任务。为了防止某一簇的负载过大，设定各个层次中簇的数量相等，每一簇担任后面一层中的某簇的转发任务。设最后一层中簇的节点为k，要求k能被a整除。则从簇的数目比例均衡的角度看，从最后一层到第一层的各簇中节点的数目依次为k，2k，3k，…，nk。设t为某层中设定的簇节点的数目，各个层开始组织建簇，不过，簇成员一定是和自己在同一层中的节点。建簇的原则是，最靠近区域边缘的节点作为簇头。令R代表最后确定的簇半径。网络中节点的密度为

则由于每次都是选择最靠近边缘的未加入任何簇的节点作为簇头，所以此在此节点的簇半径R覆盖范围内至少有一半的区域没有自由节点，所以为了保证簇中节点的数目，设r为当前簇头节点的簇半径，有所以为了保证簇中节点的数目，令R＝2r，得簇半径簇头节点选择距离自己最近的自由节点作为自己簇的成员节点，直到到达规定的簇成员数目，或是在簇半径内没有自由节点了。这样，在各层中所有节点都已经加入簇中。这时可能有个别的簇成员数目过少，规定，某层簇成员数目小于

的簇，将其拆分，划入其他周围的簇中，划分的原则是簇成员节点寻找离自己最近簇头。但此时可能有簇的成员数目过多，规定若一个簇中成员节点的数目多于

则将其拆分为若干个簇成员数目为t和大于

小于

的簇。至此所有的节点都已经划分完毕；

5)待各个层中的簇划定后，统计各层中的簇数目，然后各层对本层簇进行编号，编号的原则是按簇头节点离网络边缘的远近依次从1开始编号。之后建立自己的路由表。第j+1层的h簇，选择第j层的第h簇作为下一跳，由于各个层中的簇的数目差不多，所以基本能一一对应，个别对应不上的，可以令其选择一个离自己最近的前层中的簇作为自己的下一跳，加入自己的路由表中；

6)在多跳路由中，有可能一个簇的能量消耗比其它同层中的簇大得多，这时从传感器网络的整体考虑，应该均衡各个簇中的能量消耗，即当一个簇中能量小于原始能量的50％的节点数大于簇中节点数的50％时，则计算

E1是此簇中总的剩余能量，E2是簇的初始能量，c是一个簇中节点能量小于初始能量50％的比例。对比各个簇的Y，选择Y大的簇，使上一跳再更新路由表。如果找不到，则继续在此簇转发。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络的层次式分簇路由方法，其特征在于该方法的步骤为：

1)在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量E、相同通信能力与传感能力的传感器节点，传感器节点知道自己的地理位置；各个传感器节点有自己唯一的ID，每个节点都能感知自己的剩余能量，撒布的传感器节点总数已知，网络中的不计汇聚节点的节点总数为M；

2)汇聚节点部署在网络的顶端，各个普通传感器节点可以直接和汇聚节点通信，汇聚节点的功率和数据处理能力要远强于普通传感器节点；

3)将无线传感器网络的普通节点划分为若干层次，在层次间采用多跳方式传输数据，所以划分的层次不宜过多，否则会造成较大的延迟；将无线传感器网络划分为n个层次，考虑到传感器网络采用多跳的方式传输数据，越靠近汇聚节点的层次所担负的任务越重，从网络能量的均衡消耗角度，传感器网络的各个层次中节点数目应该从第1层到第n层依次减少，最靠近汇聚节点的层次为第1层，最远离汇聚节点的层为最后一层，设其节点数目为a，节点数目线性增加，即从最后一层到第一层中的节点数目依次为a，2a，3a，...，na，则a+2a+3a+...+na＝M，

若

不是整数，则各层划分后还剩下的节点归为第一层，各层的节点数目因此确定；

4)簇头选择和簇建立：由于采用多跳方式传输数据，越靠近汇聚节点的簇所负担的转发负荷越大，各个层次的簇中节点数目按离汇聚节点的距离增大而依次减小；第一层要担负后面各层传来的数据的转发任务，所以第一层的各簇中的节点数目应该多些，以便分担转发任务；为了防止某一簇的负载过大，设定各个层次中簇的数量相等，每一簇担任后面一层中的某簇的转发任务，设最后一层中簇的节点为k，要求k能被a整除；则从簇的数目比例均衡的角度看，从最后一层到第一层的各簇中节点的数目依次为k，2k，3k，...，nk。设t为某层中设定的簇节点的数目，各个层开始组织建簇，簇成员一定是和自己在同一层中的节点，建簇的原则是，最靠近区域边缘的节点作为簇头；令R代表最后确定的簇半径，网络中节点的密度为

则由于每次都是选择最靠近边缘的未加入任何簇的节点作为簇头，所以此在此节点的簇半径R覆盖范围内至少有一半的区域没有自由节点，所以为了保证簇中节点的数目，设r为当前簇头节点的簇半径，有

所以为了保证簇中节点的数目，令R＝2r，得簇半径簇头节点选择距离自己最近的自由节点作为自己簇的成员节点，直到到达规定的簇成员数目，或是在簇半径内没有自由节点了，这样，在各层中所有节点都已经加入簇中，规定，某层簇成员数目小于

的簇，将其拆分，划入其他周围的簇中，划分的原则是簇成员节点寻找离自己最近簇头，但此时可能有簇的成员数目过多，规定若一个簇中成员节点的数目多于

则将其拆分为若干个簇成员数目为t和大于

小于的簇。至此所有的节点都已经划分完毕；

5)待各个层中的簇划定后，统计各层中的簇数目，然后各层对本层簇进行编号，编号的原则是按簇头节点离网络边缘的远近依次从1开始编号，之后建立自己的路由表，第j+1层的h簇，选择第j层的第h簇作为下一跳，由于各个层中的簇的数目差不多，所以基本能一一对应，个别对应不上的，可以令其选择一个离自己最近的前层中的簇作为自己的下一跳，加入自己的路由表中；

6)在多跳路由中，有可能一个簇的能量消耗比其它同层中的簇大得多，这时从传感器网络的整体考虑，应该均衡各个簇中的能量消耗，即当一个簇中能量小于原始能量的50％的节点数大于簇中节点数的50％时，则计算E1是此簇中总的剩余能量，E2是簇的初始能量，c是一个簇中节点能量小于初始能量50％的比例。对比各个簇的Y，选择Y大的簇，使上一跳再更新路由表，如果找不到，则继续在此簇转发。

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