CN102572995B - 一种无线传感器网络中基于gaf改进分簇机制的热区问题解决方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方案，属无线传感器网络路由技术领域。在监控区域内，传感器节点均匀分布，基站在区域的中央；首先根据GAF改进分簇机制，将网络划分为虚拟的单元格，每个单元格为一个簇，每个簇内有相同数量的传感器节点，根据节点的剩余能量选举出簇首，然后根据***簇的个数，基站对整个簇需要转发的数据量进行评估，最后根据转发数据的能量消耗计算出不同层之间的簇内需配置的活动节点的数目的比例。通过在改进GAF分簇模型的基础上控制活动节点数来缓解无线传感器网络的热区问题。利用节点的冗余，来为数据转发提供更多的能量，从而让这些节点能够承担更多的数据转发的任务，延长了网络的生存周期。

Description

一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方案，属无线传感器网络路由技术领域。 

背景技术

无线传感器网络由大量的智能节点组成，这些智能节点靠无线和多跳方式进行通信，自主组成网络，通过相互直接的协调来采集目标数据，并将数据传送给观察者。传感器节点是无线传感器网络的基本构成单位，由于节点微小，通常只能携带有能量十分有限的电池。而传感器网络的部署环境复杂，有些区域甚至人员不能达到，所以一旦投放使用，将很难再补充能量，因此节能对无线传感器网络来说是至关重要的课题。为了在能量有限的情况下延长传感器网络的有效寿命，人们提出了若干节能的路由协议。 

无线传感器网络中现在为了节约能量均采用分簇机制，即在网络中根据一定的规则划分一些节点，这些节点组成一个簇，其中一个节点当选为簇首，其余簇内成员都将数据传递给簇首，由簇首负责将这些数据进行聚合，但簇首并不是直接将数据传递给基站，而是根据路由协议，将数据传递给其它的簇首进行转发，最终将数据传递给基站。根据数据需要几次传递给基站可以将簇划分在不同的层里面，直接将数据传递给基站的簇属于第0层，需要转发一次的簇属于第1层，依次类推。 

GAF(geographical adaptive fidelity)改进分簇机制是典型的基于节点地理位置的分簇算法。和GAF算法相比，GAF改进分簇机制在簇首选择中考虑了节点的剩余能量，不再是完全的随机产生，从而比GAF算法更加合理的利用能量。但也存在一些缺陷：靠近基站的簇需要比外层的簇承担更多的转发数据的责任，从而让越靠近基站的簇首消耗能量越多，进而导致节点能量消耗完毕，网络过早失去连接，这就是所谓的热区问题。 

发明内容

为克服现有无线传感器网络路由协议的缺陷与不足，本发明提供一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方案。 

本发明在GAF改进算法的基础上，采用控制活动节点数目来平衡各层簇间的负载，即让越靠近基站的簇里活动节点在满足服务质量的前提下尽可能的少些，同时让其余节点处于休眠状态，当有节点死亡时唤醒其中一个节点，从而让这些簇中簇首用于收集信息的能量消耗少些，并且有更多的冗余节点可以用来替代死亡节点。这样可以有更多的能量来承担转发数据的任务。通过这种方案来尽可能的缓解上述热区问题，延长网络的生存时间。 

一种基于GAF改进算法分簇模型的热区问题解决方案，在监控区域内，传感器节点均匀分布，基站在区域的中央；首先根据GAF改进分簇机制，将整个网络划分为虚拟的单元格，每个单元格为一个簇，每个簇内有相同数量的传感器节点，记为X，根据节点 的剩余能量选举出簇首，然后根据***簇的个数，基站对整个簇需要转发的数据量进行评估，最后根据转发数据的能量消耗计算出不同层之间的簇内需配置的活动节点的数目的比例；传感器节点具有相同的初始能量记为E，发送和接收单位数据消耗的能量均为常数，分别为T₀和R₀，传感器节点产生周期性常量负载P，基于GAF改进算法分簇模型的热区问题解决方案如下： 

(1)基站根据监控区域的面积，将整个网络划分为N个虚拟的单元格，并将每个节点隶属于哪个单元格的信息告诉所有的传感器节点，由于所有的区域都可以通过增补变成正方形，所以每一层的簇个数Cn＝8×n-4(n＝1，2，…M)，其中n为层数； 

(2)根据经典的GAF改进算法，利用基站广播的信息，属于同一个单元格的节点自主组成一个簇，然后各簇成员之间通过广播通信来了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的节点当选为簇首，如果所有节点的剩余能量都相同，则每个节点都随机产生一个小于1的数，产生随机数最小的节点当选簇首； 

(3)计算每一层产生的数据量，由于网络的对称性，隶属于同一个层的每个簇的活动节点数均相同，记为An，每一层的数据量为P*An*Cn； 

(4)计算每一层需要转发的全部数据量，比本层离基站更远一些的所有层产生的数据都由本层的簇进行转发，所以第i层需要转发的所有的数据量为自己层产生的数据量和比本层离基站更远一些的所有层需要转发的数据量之和，共为 

(5)计算每一个簇首需要消耗的能量，需要接受和发送的数据量是相同的，从上一层传递过来的数据量由本层所有的簇首均分，可得每一个节点在担任簇首的周期中所消耗的能量为 $E\left(H_i\right)=(R_0+T_0)\×(P\×A_i+(P\×\underset{n=i+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AnCn})/C_i),(i=\mathrm{1,2},..,N),$ i为簇首隶属的层数； 

(6)计算不同层间的簇内活动节点数目的比例，均衡负载的目的是为了让所有簇的能量同时耗尽，即让所有的簇有相同的存活时间，因为节点作为簇内普通节点时消耗的能量相同，所以可以忽略，可得方程式为： 

(X-A_i)E/E(H_i)＝(X-A_i+1)E/E(H_i+1)’整理此方程即可得不同层中簇内应设置的活动节点的个数之间的关系，其中i为簇隶属的层数； 

(7)随着数据传递，当开始出现节点能量耗尽时，簇首主动发送唤醒帧，通知一个休眠节点来顶替自己，直到所有节点能量都耗尽，网络工作结束。 

本发明通过在改进GAF分簇模型的基础上控制活动节点数来缓解无线传感器网络的热区问题。利用节点的冗余，来为数据转发提供更多的能量，从而让这些节点能够承担更多的数据转发的任务，延长了网络的生存周期。 

附图说明

图1为热区问题的示意图。 

图2为GAF分簇机制效果图。 

图3为GAF改进算法簇首选举流程示意图。 

图4为本发明的算法软件流程图。 

其中，○代表普通传感器节点，●代表簇首，■代表基站。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 

实施例： 

一种基于GAF改进算法分簇模型的热区问题解决方案，如图1-图4所示，在监控区域内，传感器节点均匀分布，基站在区域的中央；首先根据GAF改进分簇机制，将整个网络划分为虚拟的单元格，每个单元格为一个簇，每个簇内有相同数量的传感器节点，记为X，根据节点的剩余能量选举出簇首，然后根据***簇的个数，基站对整个簇需要转发的数据量进行评估，最后根据转发数据的能量消耗计算出不同层之间的簇内需配置的活动节点的数目的比例；传感器节点具有相同的初始能量记为E，发送和接收单位数据消耗的能量均为常数，分别为T₀和R₀，传感器节点产生周期性常量负载P，基于GAF改进算法分簇模型的热区问题解决方案如下： 

(1)基站根据监控区域的面积，将整个网络划分为N个虚拟的单元格，并将每个节点隶属于哪个单元格的信息告诉所有的传感器节点，由于所有的区域都可以通过增补变成正方形，所以每一层的簇个数Cn＝8×n-4(n＝1，2，…M)，其中n为层数； 

(2)根据经典的GAF改进算法，利用基站广播的信息，属于同一个单元格的节点自主组成一个簇，然后各簇成员之间通过广播通信来了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的节点当选为簇首，如果所有节点的剩余能量都相同，则每个节点都随机产生一个小于1的数，产生随机数最小的节点当选簇首； 

(3)计算每一层产生的数据量，由于网络的对称性，隶属于同一个层的每个簇的活动节点数均相同，记为An，每一层的数据量为P*An*Cn； 

(4)计算每一层需要转发的全部数据量，比本层离基站更远一些的所有层产生的数据都由本层的簇进行转发，所以第i层需要转发的所有的数据量为自己层产生的数据量和比本层离基站更远一些的所有层需要转发的数据量之和，共为 

(5)计算每一个簇首需要消耗的能量，需要接受和发送的数据量是相同的，从上一层传递过来的数据量由本层所有的簇首均分，可得每一个节点在担任簇首的周期中所消耗的能量为 $E\left(H_i\right)=(R_0+T_0)\×(P\×A_i+(P\×\underset{n=i+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AnCn})/C_i),(i=\mathrm{1,2},..,N),$ i为簇首隶属的层数； 

(6)计算不同层间的簇内活动节点数目的比例，均衡负载的目的是为了让所有簇的能量同时耗尽，即让所有的簇有相同的存活时间，因为节点作为簇内普通节点时消耗的能量相同，所以可以忽略，可得方程式为： 

(X-A_i)E/E(H_i)＝(X-A_i+1)E/E(H_i+1)’整理此方程即可得不同层中簇内应设置 的活动节点的个数之间的关系，其中i为簇隶属的层数； 

(7)随着数据传递，当开始出现节点能量耗尽时，簇首主动发送唤醒帧，通知一个休眠节点来顶替自己，直到所有节点能量都耗尽，网络工作结束。 

Claims (1)

1.一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方法，在监控区域内，传感器节点均匀分布，基站在区域的中央；首先根据GAF改进分簇机制，将整个网络划分为虚拟的单元格，每个单元格为一个簇，每个簇内有相同数量的传感器节点，记为X，根据节点的剩余能量选举出簇首，然后根据***簇的个数，基站对整个簇需要转发的数据量进行评估，最后根据转发数据的能量消耗计算出不同层之间的簇内需配置的活动节点的数目的比例；传感器节点具有相同的初始能量记为E，发送和接收单位数据消耗的能量均为常数，分别为T₀和R₀，传感器节点产生周期性常量负载P，其特征在于，基于GAF改进算法分簇模型的热区问题解决方案如下：

(1)基站根据监控区域的面积，将整个网络划分为N个虚拟的单元格，并将每个节点隶属于哪个单元格的信息告诉所有的传感器节点，由于所有的区域都可以通过增补变成正方形，所以每一层的簇个数Cn＝8×n-4，其中，n＝1,2,3……M,n为层数；

(2)根据经典的GAF改进算法，利用基站广播的信息，属于同一个单元格的节点自主组成一个簇，然后各簇成员之间通过广播通信来了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的节点当选为簇首，如果所有节点的剩余能量都相同，则每个节点都随机产生一个小于1的数，产生随机数最小的节点当选簇首；

(3)计算每一层产生的数据量，由于网络的对称性，隶属于同一个层的每个簇的活动节点数均相同，记为An，每一层的数据量为P*An*Cn；

(4)计算每一层需要转发的全部数据量，比本层离基站更远一些的所有层产生的数据都由本层的簇进行转发，所以第i层需要转发的所有的数据量为自己层产生的数据量和比本层离基站更远一些的所有层需要转发的数据量之和，共为

(5)计算每一个簇首需要消耗的能量，需要接收和发送的数据量是相同的，从上一层传递过来的数据量由本层所有的簇首均分，可得每一个节点在担任簇首的周期中所消耗的能量为 $E\left(H_i\right)=(R_0+T_0)\×(P{\×A}_i+(P\×\underset{n=i+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AnCn})/C_i),$ i＝1,2,3……N,i为簇首隶属的层数；

(6)计算不同层间的簇内活动节点数目的比例，均衡负载的目的是为了让所有簇的能量同时耗尽，即让所有的簇有相同的存活时间，因为节点作为簇内普通节点时消耗的能量相同，所以可以忽略，可得方程式为：(X-A_i)E/E(H_i)＝(X-A_i+1)E/E(H_i+1)，整理此方程即可得不同层中簇内应设置的活动节点的个数之间的关系，其中i为簇隶属的层数；

(7)随着数据传递，当开始出现节点能量耗尽时，簇首主动发送唤醒帧，通知一个休眠节点来顶替自己，直到所有节点能量都耗尽，网络工作结束。