CN103607746A - 一种无线传感节点实现路由的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感节点实现路由的方法，包括无线传感网络中的各簇头节点分别向其相邻的簇头节点广播自身的状态信息；当簇头节点需要发送数据时，根据来自各邻居簇头节点的状态信息选择下一跳节点并将数据发送给选择出的簇头节点，选择出的簇头将接收到的数据逐跳进行转发，直至数据到达基站。本发明提供的方法，一方面，数据的传输是随着路由节点的动态选择逐跳转发的，避免了单跳直接传输到基站的传输方式带来的能耗问题。另一方面，通过路由的动态选择，实时考虑了节点当前的状态，提升了网络的生存时间，避免了在路由确定过程中，由于节点的状态很有可能已发生变化的情况，而带来的路由优的问题，保证了路由的最优选择。

Description

一种无线传感节点实现路由的方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术，尤指一种无线传感节点实现路由的方法。

背景技术

无线传感器网络（WSN）是由大量具有通信和简单计算能力的微型传感节点分布在监控区域而构成的。WSN是一种资源严重受限的网络，传感节点的计算和通信能力都十分有限。如何有效的使用传感器感知节点的能量以延长WSN的生存时间，一直是WSN研究所关注的热点问题。

传统的低功耗自适应集簇分层型协议（LEACH，Low Energy AdaptiveClustering Hierarchy）算法是一种低功耗的自适应分层算法，它将WSN中的所有节点分为若干的簇；每个簇选举一个簇头。LEACH算法工作时使用了“轮”的概念，每一轮的循环主要分为簇的建立阶段和稳定通信阶段。在簇的建立阶段，随机产生簇头并且形成簇；在簇的通信阶段，簇内的节点将感知到的数据直接传送给簇头，簇头经过数据融合之后将数据传送给基站。在这个过程中，簇头的能量消耗是巨大的。

一方面，LEACH算法是让WSN中的节点自组织地形成簇，簇头是随机产生的。在簇头的选择中，没有考虑节点的剩余能量和节点已经做过簇头的次数，这样，在选择剩余能量小的节点做为簇头时，节点会过早死亡，降低了网络的生存时间；而当节点做簇头次数过多时，离该簇头节点较远的节点能耗较多，出现了节点能耗不均衡的现象。另一方面，簇头在传输数据时，是采用单跳直接传输到基站的传输方式，这种方式在长距离的数据通信中能量消耗很大。由于WSN的能量消耗主要包括电路能耗和功放能耗，而功放能耗也是主要能量消耗。根据空间信道传输模型，随着传输距离的增加，能量消耗将大大增加。在大型的WSN中，相对于基站较远的簇头节点而言，能量的消耗远远大于接近基站的簇头节点，故而整体降低了网络的寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传感节点实现路由的方法，能够实时根据无线传感节点的状态，动态调整路由方案，从而提升网络的生存时间。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种无线传感节点实现路由的方法，包括：无线传感网络中的各簇头节点分别向其相邻的簇头节点广播自身的状态信息；

当簇头节点需要发送数据时，根据来自各邻居簇头节点的状态信息选择下一跳节点并将数据发送给选择出的簇头节点，选择出的簇头将接收到的数据逐跳进行转发，直至数据到达基站。

所述状态信息包括：节点标识ID信息、当前的剩余能量信息，以及距离基站的距离信息。

所述选择下一跳节点包括：

根据所述距离基站的距离信息，选择离基站近的簇头作为下一跳节点；

或者，如果存在有多个邻居簇头距离基站的距离相同，选择所述当前的剩余能量信息多的簇头作为下一跳节点；

或者，如果存在有多个簇头距离基站的距离相同，且当前的剩余能量信息也相同，从中随机选择一个簇头作为下一跳节点。

预先设置跳数上限阈值；所述选择出的转发数据的簇头节点的跳数达到跳数上限阈值时，该跳数所在簇头节点对接收到的数据进行融合后发送给所述基站。

所述跳数上限阈值为5。

该方法之前还包括选举产生所述簇头节点：

所述簇头节点所在无线传感网络中的每个传感节点产生一个随机数，根据LEACH算法分别产生对应各传感节点的第一阈值，并将第一阈值与其对应的传感节点的能量因子相乘后得到的积作为该传感节点的第二阈值；

将传感节点产生的随机数小于第二阈值的传感节点确定为簇头节点；

确定出的所有簇头节点广播通知消息，非簇头节点收到多条通知消息，根据消息信号的强弱确定自身加入哪个簇头节点所在的簇并通知相应的簇头节点；

其中，能量因子

其中，E_current为传感节点当前的剩余能量，E_init为传感节点的初始能量，i表示不同的传感节点。

与现有技术相比，本发明包括无线传感网络中的各簇头节点分别向其相邻的簇头节点广播自身的状态信息；当簇头节点需要发送数据时，根据来自各邻居簇头节点的状态信息选择下一跳节点并将数据发送给选择出的簇头节点，选择出的簇头将接收到的数据逐跳进行转发，直至数据到达基站。本发明提供的方法，一方面，数据的传输是随着路由节点的动态选择逐跳转发的，避免了单跳直接传输到基站的传输方式带来的能耗问题。另一方面，通过路由的动态选择，实时考虑了节点当前的状态，提升了网络的生存时间，避免了在路由确定过程中，由于节点的状态很有可能已发生变化的情况，而带来的路由优的问题，保证了路由的最优选择。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明无线传感节点实现路由的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为本发明无线传感节点实现路由的方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：

步骤100：无线传感网络中的各簇头节点分别向其相邻的簇头节点广播自身的状态信息。其中，状态信息包括但不限于节点标识（ID）信息、当前的剩余能量信息及距离基站的距离信息。

本步骤之前还包括：选举产生簇头节点，具体包括：

首先，每个传感节点产生一个0～1之间的随机数，根据本领域技术人员惯用的LEACH算法分别产生对应各传感节点的第一阈值，并将第一阈值与其对应的传感节点的能量因子相乘后得到的积作为该传感节点的第二阈值；将传感节点产生的随机数小于第二阈值的传感节点确定为簇头节点。其中，能量因子α_i如公式(1)所示：

${\mathrm{\α}}_i=\sqrt{\frac{E_{\mathrm{currenti}}}{E_{\mathrm{initi}}}}---\left(1\right)$

其中，E_current为传感节点当前的剩余能量，E_init为传感节点的初始能量，i表示不同的传感节点。本发明选举产生簇头节点的方法在现有LEACH算法上，考虑了节点剩余能量因素，这样选举出的簇头节点，在原有LEACH算法的基础上考虑了节点的剩余能量，从而延长了网络生命周期。

之后，确定出的所有簇头节点广播通知消息，比如通过非持续CSMAMAC协议，使用同样的能量发出通知消息；非簇头节点收到多条通知消息，根据消息信号的强弱确定自身加入哪个簇头节点所在的簇并通知相应的簇头节点。

本发明中的选举簇头的方法，引入传感节点的能量因子，避免了现有LEACH算法中由于未能考虑随机选举簇头节点所导致的降低网络的生存时间的问题。另外，由于做过簇头的节点的剩余能量会小，因此，本发明中，选举产生簇头节点时由于考虑了节点的剩余能量，也就相当于考虑了节点是否已经做过簇头。

步骤101：当簇头节点需要发送数据时，根据来自各邻居簇头节点的状态信息选择下一跳节点并将数据发送给选择出的簇头节点，选择出的簇头将接收到的数据逐跳进行转发，直至数据到达基站。

本步骤中，当某簇头节点需要发送数据时，会根据收到的来自各相邻簇头节点的状态信息，选择下一跳节点。具体包括：优先选择离基站近的簇头作为下一跳节点，其中，离基站近可以是一个预先设置的范围，也可以是距离基站最近；如果存在有多个簇头距离基站的距离相同，则进一步选择剩余能量多的簇头作为下一跳节点；如果存在有多个簇头距离基站的距离相同，且剩余能量也相同，则可从中随机选择一个簇头作为下一跳节点。并按照选择出的簇头节点的ID信息转发数据。

需要说明的是，当要发送数据的簇头距离基站的距离比其他相邻簇头距离基站的距离更近时，该簇头直接将数据发送给基站。

簇头在转发数据的过程中会损失自身能量，特别是与基站交互的最后一跳簇头。

优选地，在选择下一跳节点时，距离因素优先级大于剩余能量因素。

进一步地，为了避免出现环状路由，预先设置跳数上限阈值，比如根据具体环境因素，可以设置为5次等；这样，在跳数达到跳数上限阈值时，该跳数所在簇头节点对接收到的数据进行打包后发送给基站。这里，打包就是简单地将接收到的数据组合后发送，具体实现属于本领域技术人员的惯用技术手段，这里不再赘述。

本发明的无线传感节点实现路由的方法，一方面，在簇头传输数据时，是邻居节点根据相邻簇头距离基站的距离或剩余能量，选择数据传输的下一跳节点，并逐跳进行数据转发。也就是说，数据的传输是随着路由节点的动态选择逐跳转发的，避免了单跳直接传输到基站的传输方式带来的能耗问题。另一方面，通过路由的动态选择，提升了网络的生存时间，实时考虑了节点当前的状态，避免了在路由确定过程中，由于节点的状态很有可能已发生变化的情况，而带来的路由优的问题，保证了路由的最优选择。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种无线传感节点实现路由的方法，其特征在于，包括：无线传感网络中的各簇头节点分别向其相邻的簇头节点广播自身的状态信息；

当簇头节点需要发送数据时，根据来自各邻居簇头节点的状态信息选择下一跳节点并将数据发送给选择出的簇头节点，选择出的簇头将接收到的数据逐跳进行转发，直至数据到达基站。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态信息包括：节点标识ID信息、当前的剩余能量信息，以及距离基站的距离信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述选择下一跳节点包括：

根据所述距离基站的距离信息，选择离基站近的簇头作为下一跳节点；

或者，如果存在有多个邻居簇头距离基站的距离相同，选择所述当前的剩余能量信息多的簇头作为下一跳节点；

或者，如果存在有多个簇头距离基站的距离相同，且当前的剩余能量信息也相同，从中随机选择一个簇头作为下一跳节点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，预先设置跳数上限阈值；所述选择出的转发数据的簇头节点的跳数达到跳数上限阈值时，该跳数所在簇头节点对接收到的数据进行融合后发送给所述基站。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述跳数上限阈值为5。

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，该方法之前还包括选举产生所述簇头节点：

所述簇头节点所在无线传感网络中的每个传感节点产生一个随机数，根据LEACH算法分别产生对应各传感节点的第一阈值，并将第一阈值与其对应的传感节点的能量因子相乘后得到的积作为该传感节点的第二阈值；

将传感节点产生的随机数小于第二阈值的传感节点确定为簇头节点；

确定出的所有簇头节点广播通知消息，非簇头节点收到多条通知消息，根据消息信号的强弱确定自身加入哪个簇头节点所在的簇并通知相应的簇头节点；

其中，能量因子

其中，E_current为传感节点当前的剩余能量，E_init为传感节点的初始能量，i表示不同的传感节点。

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