CN103228022A

CN103228022A - 一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法

Info

Publication number: CN103228022A
Application number: CN2013100205295A
Authority: CN
Inventors: 朱晓荣; 白永红; 赵夙; 朱洪波
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-07-31

Abstract

本发明是一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法，由网络初始化、轮簇过程、节点维护和异常处理三个部分组成。在轮簇阶段，算法在考虑能量高效的同时引入能量采集因素，使得能量采集速率和剩余能量较大的节点成有较大的几率当选簇头，并在簇头的路由过程中采用新颖的概率式路由算法进行簇间的数据传输。与以尽量减少能耗为目的的传统分簇路由不同，该方法旨在尽量增大节点采集到的能量的利用率，并在簇头数据传输过程中引入新型的概率式簇头路由，在有效利用节点采集到的能量的同时均衡了簇头节点的能耗，使得靠近汇聚节点的簇头节点不会因为能耗过大而过早转换到睡眠状态，延长了节点在网络中的工作时间，提升了***的整体性能。

Description

一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种在节点能够进行能量采集的前提下的无线传感器网络的节点路由实现方案，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着微电子、计算机以及无线通信等技术的进步，微型、低成本、高可靠、多功能集成化的传感器节点的生产在技术和效益上成为可能，无线传感器网络（WSN）在此时应运而生。无线传感器网络由分布在一定区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，是通过无线通信的方式形成的一个多跳自组织的网络***。无线传感器网络的出现将逻辑上的信息世界同客观上的物理世界融合在了一起，大大扩展了人们获取信息的能力，改变了人与自然界的交互方式。在军事勘察、环境检测、农业生产、医疗监督等方面都有着广阔的应用前景。

一般来说，无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)的协议栈可以分为五层，从上到下依次为：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。网络层主要负责路由的建立、选择和维护。无线传感器网络的路由协议需要在源节点和目的节点之间寻找合适的路径并成功地将数据传递出去，即在提高能量有效性的前提下找到一条最佳路径。路由设计的好坏，直接影响到网络中数据传输的成功率、节点的能耗、时延等各个因素。作为无线传感器网络的核心技术之一，路由协议的性能在很大程度上决定了网络的整体性能。

无线传感器网络自其出现到现在，其网络路由层的研究一直是一个热点，很多经典的无线传感器网络路由协议也陆续被提出。从无线传感器网络的拓扑结构方面来看，WSN路由协议大体可以分为平面型路由协议和层次型路由协议。平面型路由协议中每个节点的地位都是相同、平等的，在路由上其功能相同，维护的信息量一样，平面路由协议的特点是算法简单且相对较容易实现，然而平面型路由扩展性差，无法应用到大规模的无线传感器网络中。层次型路由协议将网络分簇，每个簇由若干簇内成员和一个簇头组成，簇头接收簇内的节点数据并进行数据融合，然后通过单跳或者多跳方式将数据传送到汇聚节点。层次型路由将通信限制在了一定的范围内，且簇头间的路由相对简单，易于消除节点的数据冗余，且扩展性较好，因此适用于范围较大的无线传感器网络。

传统的无线传感器网络都是由电池供电的，由于其应用环境的特殊性和无线传感器网络规模较大的特点，大部分的节点能源都是不易更换的，因此能量受限一直是无线传感器网络的一个重要问题，这就使得传统WSN路由的设计都是以减少能耗来延长网络生存时间为首要目标。然而近年来硬件技术的发展使得节点可以利用外界环境中获取能量，例如太阳能、振动、温度差等。能量采集技术的出现在一定程度上缓解了无线传感器网络节点能量受限的问题，然而由于能量采集的特性，传统的无线传感器网络的路由方法无法很好地在能量采集型无线传感器网路(Energy Harvesting Wireless Sensor Network，即EH-WSN)中适用，因此需要设计新的路由选择算法。

考虑层次型路由协议的优点，在能量采集型无线传感器网络中设计分簇型的路由算法。可以结合以往的经典层次型路由协议研究方法，在使得网络均匀分簇的同时让剩余能量和能量采集速率值较大的节点成为簇头节点。同时能量采集因素的引入使得处在多个蔟覆盖范围内的普通节点在选择自己归于哪一个簇内时不仅仅要考虑节能因素还要考虑充分利用采集到的能量，而在簇间数据的传送过程中也需要一种算法能够均衡整个网络簇头的能耗，使得靠近汇聚节点的簇头节点不会因转发过多数据导致能量消耗过快。因此，设计一种适用于EH-WSN的路由算法协议是很关键的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法，该方法以尽量利用节点采集到的能量和均衡整个网络中节点的能耗为目的，基于层次型无线传感器网络路由思想，提供一种适用于EH-WSN的综合性路由策略。

技术方案：本发明以尽量利用节点采集到的能量和均衡整个网络节点的能耗为目的，综合以往路由选簇的同时考虑能量采集因素对分簇的影响，并在簇头数据传输阶段提出一种新型的概率式的簇间路由策略，每个簇头节点根据自身及邻簇头节点的能量状况以及到sink节点(即汇聚节点)的距离以不同的概率选择其路由过程。

在考虑节点的能量采集因素的前提下，综合以往的经典路由研究方法，使得网络中的分簇较为均匀且保证了簇头节点在规定功率范围内的连通度；当节点处在多个簇的覆盖范围内时，将通信代价cost设置为簇头节点的能量值、簇头节点的度以及簇内平均最小通信功耗的综合权值，在节省簇内节点能量的同时使得能量采集速率和剩余能量值高的簇头分担更多的簇内节点；簇首在对簇内节点进行TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）时隙分配时根据节点的能量权值的大小依次排序，使得能量权值较大的节点优先传输数据，更进一步的利用了能量采集速率型无线传感器网络的特征；簇间路由过程中EH-EBPR（Energy harvesting ,Energy balance and probability Routing）采用概率式路由方法，有效的均衡了网络中簇头的能耗，延长了节点处在工作状态的时间。能量采集的无线传感器网络分簇路由方法包括以下几个过程：

a. 网络初始化阶段：sink节点在整个网络中发送广播消息，所有节点根据接收到的信号强度RSSI计算出其到sink节点的近似距离并放在缓存中；

b. 轮簇过程：节点根据自身的剩余能量和每一轮的能量采集速率每T_round时间进行一次轮簇过程，每个节点根据自身的剩余能量和能量采集速率值竞争簇头，每一轮包括成簇阶段和簇间路由阶段；

b1. 成簇阶段：节点根据自身剩余能量和能量采集速率进行分簇和竞选簇头，具体过程由三个部分组成：

b11. 初始化网络簇头比例C_pr：每个节点根据自身剩余能量和能量采集速率计算初始当选簇头概率CH_pr，在给定的簇内发射功率P_intra覆盖范围内，每个节点根据自身和邻节点情况得到自身的cost值并将其发送到邻节点；

b12. 迭代过程：S_CH（候选簇头集合）为空的节点以当前迭代步数的CH_pr概率值竞选簇头，若S_CH不为空则节点选取cost值最小的节点作为其暂时簇头；在每一步迭代结束后节点都将自身的CH_pr值乘以2，当CH_pr=1时节点的迭代过程结束；成为簇头的节点会向邻居节点广播相应的状态消息，当节点CH_pr<1时节点处在暂时簇头状态，当CH_pr=1时节点为最终簇头状态；处在暂时状态的簇头节点若发现具有更小通信代价的簇头节点时会改变状态成为普通节点；

b13. 截止阶段：节点选取处在最终簇头状态中cost值最小的节点作为最终簇头，若没有收到处在最终簇头状态的节点的广播消息则申明自己成为最终簇头并广播消息。簇首节点然后根据簇内节点的能量综合权值，即(

Figure 2013100205295100002DEST_PATH_IMAGE002

)为每个簇内节点分配TDMA数据传输时隙；

b2.簇间路由阶段：簇内节点在给定的时隙内苏醒将数据发送至簇首，在其他时间内处在睡眠状态，簇首接收到所有簇内节点的信息后进行数据聚合以消除冗余，并将数据通过单跳或者多跳方式传送至sink节点，簇间路由包括以下三种情况:

b21.若簇头节点到sink节点距离小于等于常数值S，簇首直接将数据发送至sink节点；

b22. 若簇头节点到sink节点距离大于S，节点计算自身路由系数R_co并产生一个0到1之间的随机数Random（0,1），若Random（0,1）大于路由系数R_co，则簇头节点的数据也直接单跳至sink节点；

b23. 若簇头节点至sink距离大于S且Random（0,1）小于等于路由系数R_co，簇首选取邻簇头节点中簇间路由代价C_cost值最小的作为下一跳；下一跳节点首先判断其到sink节点的距离是否大于S，同样通过上述的方式进行路由判决；

c．节点维护与异常处理：若簇头节点的能量在数据传输阶段耗尽，则簇首将

广播Cluster-disband簇解散消息到簇内节点解散该簇并进入睡眠状态，且不再响应他簇头节点的路由请求消息，簇内节点将等待下一次选簇过程的到来；若能量耗尽的是簇内节点，节点发送Energy-exhaust能量耗尽消息给簇头节点并进入睡眠状态进行能量补充，处在睡眠状态的节点的剩余能量一旦超过最大储能值的一定水平，则节点转化为工作状态。

本发明为EH-EBPR（Energy harvesting ,Energy balance and probability Routing）路由方法，其目的是提供一个适用于能量采集型的无线传感器网络的路由方案。该路由以尽可能利用节点采集到的能量为目的，同时用概率式的簇头路由方式来均衡当选为簇头的节点的能耗，使得网络中某些节点不会因为能耗过大而过快的处于睡眠状态。

传统的无线传感器网络中的路由策略一般都以节省能耗为目的，例如HEED（A Hybrid，Energy-Efficient Distributed clustering approach）协议中当普通节点处在两个簇头的覆盖范围时节点会根据簇内节点数据发送到簇头所需的平均能功耗AMRP（簇内节点最小平均功耗）值选取簇内平均通信代价最小的簇加入进去，选取AMRP作为通信代价值主要考虑的就是节省簇内节点的通信能耗。在能量采集型无线传感器网络中，节点能够通过外部环境中获取能量，当节点的储能电池能量达到最大值时节点采集到的能量将会直接浪费掉，此时在考虑节能的同时应尽可能的利用节点采集到的能量。

考虑到簇内节点只是在固定时隙内将数据发送到簇头节点，节点在每一轮中采集到的能量值很有可能大于簇内节点的能耗，因此，EH-EBPR在普通节点处在多个簇的覆盖范围时综合考虑簇头节点的能量值和簇内的节点数，使得剩余能量和能量采集速率值大的簇头节点能够相对分担较多的簇内节点的数据传输。在分簇完成后，簇头依据簇内节点的剩余能量和能量采集速率进行时隙的分配，剩余能量和能量采集速率的综合权值较大的节点较早的进行数据传输。这样能够增大节点采集到的能量利用率，同时适度的降低处在低能量状态的节点的睡眠率。

EH-EBPR路由在簇间路由时采用概率式的路由方法。以往的分簇路由协议中簇头的数据传输一般分为单跳或者多跳：单跳路由中簇头节点通过单跳的方式直接将数据发送到汇聚节点，此时会造成能量的浪费，距离簇头较远的节点也会因为能耗过大而很快就处于睡眠状态；多跳路由中簇头选取距离汇聚节点更近的节点作为下一跳，整个网络中簇头节点的能耗由外至内依次增大，距离汇聚节点较近的节点往往需要转发网络中距离sink节点较远的簇头的所有数据，导致其过快的处在了睡眠状态。本发明中提出的概率式路由中，簇头节点在会根据自身与汇聚节点的距离、节点自身的能量值以一定的概率以单跳或者多跳方式进行数据传输，选取下一跳时也综合考虑邻节点的能量和距离状况。距离汇聚节点较远且自身剩余能量和能量采集速率值较小的节点选取多跳传输的概率较小，而随着节点的能量值的增大、到汇聚节点距离的减小，簇头选择单跳路由方式的概率也越来越大。通过概率式的路由策略，簇头节点的能耗期望值得到均衡，有效的增大了节点的工作时间，提升了网络的整体性能。

有益效果：本发明提供了一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法，该方法以尽量利用节点采集到的能量和均衡网络的能耗为目的，在选取簇头和分簇过程中综合考虑节点的能量采集所带来的影响，使得节点能够尽可能利用采集到的能量。而在簇头数据传输阶段中提出的概率式路由算法能够有效均衡网络的能耗，增大网络中节点处在工作状态的时间，大大提升了网络的性能。本发明简单实用，且扩展性强，能够适用于各种规模的能量采集型无线传感器网络。

附图说明

图1 基于能量收集的无线传感器网络分簇路由算法网络流程图，

图2 基于HEED分簇的EH-EBPR路由算法分簇过程，

图3 EH-EBPR中簇头节点的簇间路由过程，

图4EH-EBPR路由算法的具体实现。

具体实施方式

一：网络模型

（1）能量采集型无线传感器网络中节点的供能部分由储能电池和能量采集单元组成，且电池能够存储的最大能量值为E_max。

（2）网络中除sink节点以外的所有节点功能相同，每个节点都有唯一的ID标识，且节点能够根据收发者的距离自由调节其发射功率。

（3）网络中链路是对称的，且节点能够根据在发送功率给定的情况下根据接收到的信号强度RSSI计算两者的近似距离。

（4）网络中节点的位置相对稳定，其到sink节点的距离基本不发生变化。

（5）当节点的能量水平低于最大储能值E_max的1%时将处于睡眠状态，继续补充能量。当处在睡眠状态的节点的能量值超过时节点转换为工作状态。

二：网络初始化

网络初始化阶段，sink节点在整个网络中广播msg-dis距离估算消息，节点根据接收到的信号强度RSSI计算其到sink汇聚节点的近似距离。

三：轮簇过程

轮簇过程即网络中节点轮选为簇头并进行传输数据的过程。每T_round时间进行一轮选簇过程。每一轮包括成簇阶段和簇间路由阶段，每轮所需时间为T_round，T_round=T_ce+T_cr，其中前T_ce时间为选簇阶段，后T_cr时间为数据传输和簇间路由阶段。不同节点在同一轮中的平均能量采集速率各不相同，节点在不同轮中的平均能量采集速率也各不相同。

1. 成簇阶段：

1）每个节点根据自身的剩余能量值E_residual和能量采集速率计算其当选簇头的初始概率CH_pr，如下式所示：

其中C_pr为网络中的初始簇头比例，P_r为节点在当前轮中的平均能量采集速率，P_min为CH_pr的最小值，引入P_min使得整个成簇过程可以在有限的迭代步数中完成。然后节点以特定的簇内功率P_intra发送Neighbor-search邻居发现消息，并根据邻居节点回应的Neighbor-confirm确认消息计算自身的cost值，将其发送给邻居节点。

为节点在P_intra发射功率范围内的邻居节点个数，即节点的度。

为簇头节点在每一轮中接收一个节点的数据的能耗。

为节点到邻节点i所需功耗。

为能量均衡系数，

越大簇内节点的节能因素对普通节点选择归簇时的影响越小，可以根据不同的应用环境设置不同的

值。

2）节点在计算出其初始簇头概率后进入迭代过程。若CH_pr<1，节点从其S_CH（候选簇头集合）中选取cost值最小的簇作为其暂时簇头，若S_CH为空则节点以当前自身CH_pr的概率竞选簇头节点，在每个迭代过程结束后所有节点将自身CH_pr值乘以2并继续上述过程。直至CH_pr=1，迭代过程结束。

3）每个节点根据其收到的消息决定最终状态，簇头节点根据簇内节点的 ()值为每个簇内节点分配TDMA数据传输时隙。剩余能量和能量采集速率综合值较大的节点优先将数据发送到簇首。

2. 簇间路由阶段：

簇间路由阶段即簇头节点接收簇内节点的数据并进行数据融合，然后通过单跳或多跳的方式将数据发送到汇聚节点。簇头节点在完成数据聚合后，根据以下几种情况进行簇间路由选择，定义簇头节点i到sink节点的距离为D_i-sink。

a．若D_i-sink<=S，簇头通过单跳方式直接将数据发送到sink节点

b．当D_i-sink>S时，节点在0到1之间产生一个随机数，若random（0,1）>R_co则簇头同样将数据直接发送至sink节点。其中，路由系数R_co定义如下式，权值

可根据不同应用环境自由调节。

c．当D_i-sink>S且random（0,1）<=R_co时，簇首节点通过多跳方式将数据发送至下一跳节点。簇头在给定的簇间功率值P_inter覆盖范围内的邻簇头节点中选取通信代价值最小的作为其下一跳节点，通信代价值C_cost计算公式如下

其中权值

也可以根据不同应用环境自由调节。下一跳簇头节点同样通过上述的方式将接收到的数据通过单跳或者多跳的方式传送到sink节点。

四：节点维护与异常处理

节点在数据传输期间可能会出现能量耗尽状态，若能量耗尽的节点为簇首节点，簇头将广播Cluster-disband簇解散消息到簇内节点解散该簇并进入睡眠状态，且不再响应他簇头节点的路由请求消息，簇内节点等待下一次选簇过程的到来；若能量耗尽的为簇内节点则节点发送Energy-exhaust能量耗尽消息给簇头节点并进入睡眠。睡眠状态的节点一旦检测到其剩余能量值达到

时将转换为工作状态。

Claims

1. 一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法，其特征在于：在考虑节点的能量采集因素的前提下，综合以往的经典路由研究方法，使得网络中的分簇较为均匀且保证了簇头节点在规定功率范围内的连通度；当节点处在多个簇的覆盖范围内时，将通信代价cost设置为簇头节点的能量值、簇头节点的度以及簇内平均最小通信功耗AMRP的综合权值，在节省簇内节点能量的同时使得能量采集速率和剩余能量值的簇头分担更多的簇内节点；簇首在对簇内节点进行时分多址TDMA时隙分配时根据节点的能量权值的大小依次分配，使得能量权值较大的节点优先传输数据，更进一步的利用了能量采集速率型无线传感器网络的特征；簇间路由过程中EH-EBPR采用概率式路由方法，有效的均衡了网络中簇头的能耗，延长了节点处在工作状态的时间，能量采集的无线传感器网络分簇路由方法包括以下几个过程：

a. 网络初始化阶段：sink节点即汇聚节点在整个网络中发送广播消息，所有节点根据接收到的信号强度RSSI计算出其到sink节点的近似距离并放在缓存中；

b. 轮簇过程：节点根据自身的剩余能量和每一轮的能量采集速率每T_round时间进行一次轮簇过程，节点根据自身的剩余能量和能量采集速率值竞争簇头，每一轮包括成簇阶段和簇间路由阶段；

b11. 初始化网络簇头比例C_pr：每个节点根据自身剩余能量和能量采集速率计算初始当选簇头概率CH_pr，在给定的簇内发射功率P_intra覆盖范围内，每个节点根据自身和邻节点情况计算自身的通信代价cost值并将其发送到邻节点；

b12. 迭代过程：候选簇头集合为空的节点以当前迭代步数的CH_pr概率值竞选簇头，若候选簇头集合S_CH不为空则节点选取cost值最小的节点作为其暂时簇头；在每一步迭代结束后节点都将自身的CH_pr值乘以2，当CH_pr=1时节点的迭代过程结束；成为簇头的节点会向邻居节点广播相应的状态消息，当节点CH_pr<1时节点处在暂时簇头状态，当CH_pr=1时节点为最终簇头状态；处在暂时状态的簇头节点若发现具有更小通信代价的簇头节点时会改变状态成为普通节点；

b13. 截止阶段：节点选取处在最终簇头状态中cost值最小的节点作为最终簇头，若没有收到最终簇头状态的节点的广播消息则申明自己成为最终簇头并广播消息，簇首节点根据簇内节点的能量综合权值，即( )为每个簇内节点分配数据传输时隙；

b2.簇间路由阶段：簇内节点进给定的时隙内苏醒将数据发送至簇首，在其他时间内处在睡眠状态，簇首接收到所有簇内节点的信息后进行数据聚合以消除冗余，并将数据通过单跳或者多跳方式传送至sink节点，簇间路由包括以下三种情况:

b22. 若簇头节点到sink节点距离大于S，节点产生一个0到1之间的随机数Random（0,1），若Random（0,1）大于路由系数R_co，则簇头节点的数据也直接单跳至sink节点；

b23. 若簇头节点之sink距离大于S且Random（0,1）小于等于路由系数R_co，簇首选取邻簇头节点中簇间路由代价C_cost值最小的作为下一跳；下一跳节点判断其到sink节点的距离，同样通过上述的方式进行路由判决；

节点维护与异常处理：若簇头节点的能量在数据传输阶段耗尽，则簇首将

广播Cluster-disband簇解散消息到簇内节点解散该簇并进入睡眠状态，且不再响应他簇头节点的路由请求消息，簇内节点将等待下一次选簇过程的到来；若能量耗尽的是簇内节点，节点发送Energy-exhaust能量耗尽消息给簇头节点并进入睡眠状态进行能量补充，一旦睡眠状态节点的剩余能量超过最大储能值的一定水平

，则将转化为工作状态。