CN103781143A - 一种能效优化的簇树分层无线传感网路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，簇建立阶段动态地自动组织聚簇，根据能量均衡原理并且考虑节点能量因素随机选择簇首节点，利用最小生成树普力姆算法构建簇树分层网络路由，即将Prim算法中的各点对应于无线传感网络中选举出的簇首节点，边的权重对应于各个簇首节点之间的能量加权距离，将簇首节点构建成多跳路由网络结构。该协议在采用能量收集技术供电的无线传感网应用中合理选择簇首，实现能量的有效利用；且降低了节点间的通信代价耗费，避免了由于簇头节点长距离通信而过早死亡的问题，有利于延长整个网络的生存期；此外，生成树算法的应用增强了协议的可扩展性。

Description

一种能效优化的簇树分层无线传感网路由方法

技术领域

本发明涉及一种能效优化的簇树分层（Optimized Energy-Efficiency Clustering TreeHierarchy，简称OEECTH）无线传感网路由方法，属于无线传感网路由协议技术。

背景技术

无线传感网络技术是通信技术、计算机技术、传感器技术和网络技术相结合的产物，在军事国防、环境监测、生物医疗、抢险救灾、家居保健以及商业应用等领域具有广阔的应用前景，是21世纪最重要的技术之一。近年来，能效优化的无线传感网络逐渐成为研究的热点，其低功耗的思想也与如今倡导的绿色环保理念相呼应。低功耗自适应集簇型分层协议（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，简称LEACH）是第一个在无线传感网络中提出的分层路由协议，之后的大部分分层路由协议都是在此基础上发展来的。LEACH协议的核心思想是基于分簇的路由协议，它包含分布式的聚簇形式。LEACH随机选取一些传感器节点作为簇首节点（cluster heads，简称CHs），继而再将网络中其他节点依次等概率地设为簇首节点，使得能量可以平均分配给网络中的所有节点，有利于延长整个网络的生存期。在LEACH协议中，簇首节点对各个簇中的节点传来的数据进行压缩，再将聚合包发送给基站，从而减少必须传递给基站的信息量。LEACH采用TDMA/CDMA MAC减少簇间网络和簇内网络的冲突。LEACH协议有其自身的不足之处：一是所有簇首节点直接与基站通信，使得远离基站节点的簇首能量损耗较快；另一个就是由于簇首是随机选取的，因此无法保证簇首在网络中的分布，影响无线传感网络中的能耗状况。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，能够在采用能量收集技术供电的WSN应用中合理选择簇首，实现能量的有效利用；且可以降低节点间的通信代价耗费，避免由于簇头节点长距离通信而过早死亡的问题；此外，生成树算法的应用增强了协议的可扩展性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，具有如下特点：（1）在簇首选举阶段考虑传感器节点能量因素，提高能量较大的节点作为簇首的概率；（2）基于最小生成树普利姆（Prim）算法的OEECTH路由生成，避免长距离的簇首节点直接向基站传送数据能耗过大而过早死亡；该方法具体包括依次执行的如下步骤：

步骤一：簇建立阶段动态地自动组织聚簇，根据能量均衡原理并且考虑节点能量因素随机选举簇首节点；

步骤二：簇建立阶段完成后，非簇首节点将需要发送的数据传送到各自所在簇的簇首节点；

步骤三：利用最小生成树普利姆算法构建簇树分层网络路由，最小生成树普利姆算法中的各点对应于无线传感网络中已经选举出的簇首节点、边的权重对应于各个簇首节点之间的能量加权距离，将簇首节点构建成多跳路由网络结构；

步骤四：簇首之间的路由建立后，簇首开始通过各自的路由将数据传输到基站；经过设定时长后，返回步骤一，网络再次进入簇建立阶段，进行新一轮簇首节点选举。

具体的，所述步骤一中，在选举簇首节点时，考虑如下两个原则：①能量大的节点成为簇首节点的概率大于能量小的节点成为簇首节点的概率；②能量大的节点在轮内有再次成为节点的机会；

具体来说，簇首节点选举按照以下方式进行：首先，让某传感器节点选取一个0～1之间的随机值r，如果r小于设定阈值T(n)，则将该节点选为当前轮的簇首节点；所述设定阈值T(n)按照如下方式计算：

$T\left(n\right)=\frac{p\·\mathrm{\λ}(v,n)}{1-p\·\mathrm{\λ}(v,n)\·\frac{\mathrm{ChNum}}{\mathrm{NodeNum}}}$

其中：p为在LEACH协议中该节点成为簇首节点的概率；λ(v,n)为加权系数，与该节点自身能力有关且成正比；ChNum为

轮内所有成为簇首的节点数目；NodeNum为所属簇的节点总数，当轮结束或ChNum和节点总数相等时，将ChNum清零并进入下一轮循环。

具体的，所述步骤二中，簇建立阶段完成后：成为簇首的节点向网络中其他节点广播信息，声明自己是新的簇首节点；其他非簇首节点在获取该广播信息后，根据广播信号的强度决定加入哪个聚簇，然后申明自己所属簇的簇首节点；在获取到其他节点归属情况和各个簇包含节点数后，簇首创建TDMA时隙表并安排每个节点开始传输数据的时间点，该时隙表随后被广播给簇中的节点。

具体的，所述步骤三中，利用最小生成树普利姆算法构建簇树分层网络路由时：

设定各个节点的位置时固定的且移动性概率很低，低于阈值；

设定各个节点的身份信息ID都已被定义好且可以在广播信息中传送；

定义能量加权距离ED为综合考虑了节点收发、传输能耗和本身剩余能量的参数，比如在实际应用中可以用ED=RSSI×10∧(-Eres)公式计算，其中RSSI为接收的信号强度指示（Received Signal Strength Indication），Eres为节点当前剩余能量，ED与Eres负相关；

簇首之间的路由生成的工作过程描述如下：

a、初始状态时，各簇首节点之间广播信息，信息中包含在本地保存的各簇首节点的ID、位置和能量信息，通过这些信息选举出每轮中剩余能量最大的簇首节点并标记为树根节点，同时标记基站（BS）为该簇头节点的父节点；

b、该树根节点利用最小生成树普利姆算法构造最小生成树原理，将下一跳中和自己的能量加权距离最小的簇首节点标记为自己的子节点，相应地该子节点将此根节点标记为自己的父节点；

c、步骤b中选择出的子节点利用相同的方法向下一跳簇首节点搜索：若该子节点没有搜索到有效的能量加权距离最小的簇首节点，则返回其父节点继续搜索；若该子节点搜索到有效的能量加权距离最小的簇首节点，则双方互相标记父子节点并继续向下执行路由算法；

d、重复步骤c，直至所有簇首节点都加入树中，则成功构建出簇树分层网络路由。

有益效果：本发明提供的能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，能够在采用能量收集技术供电的WSN应用中合理选择簇首，实现能量的有效利用；且降低了节点间的通信代价耗费，避免了由于簇头节点长距离通信而过早死亡的问题；此外，生成树算法的应用增强了协议的可扩展性。

附图说明

图1为OEECTH协议路由结构示意图；

图2为Prim算法图解示例；

图3为无线能量损耗模型；

图4为LEACH算法簇首节点选举示意图；

图5为OEECTH算法簇首节点选举示意图；

图6为对比LEACH算法和OEETCH算法生存节点变化仿真曲线；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明针对LEACH协议的不足之处提出两方面的改进优化：其一是在簇首节点选举过程中加入了能量收集供电的考虑因素，优先考虑能量较大的节点成为簇首，更加适用于当今热门的绿色新能源的WSN应用中；另一方面是针对簇首节点尤其是远离基站的节点与基站之间单跳通信消耗能量过大的问题，借鉴最小生成树的思想，应用了最小生成树算法中的普利姆算法（Prim Algorithm，简称Prim），提出了一种能效优化的簇树分层路由协议（Optimized Energy-Efficiency Clustering Tree Hierarchy，简称OEECTH）。该协议在采用能量收集技术供电的WSN应用中合理选择簇首，实现能量的有效利用；且降低了节点间的通信代价耗费，避免了由于簇头节点长距离通信而过早死亡的问题；此外，生成树算法的应用增强了协议的可扩展性。仿真结果表明该算法是有效可行的。

一种能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，具有如下特点：（1）在簇首选举阶段考虑传感器节点能量因素，提高能量较大的节点作为簇首的概率；（2）基于最小生成树普利姆（Prim）算法的OEECTH路由生成，避免长距离的簇首节点直接向基站传送数据能耗过大而过早死亡；路由结构如图1所示。下面就各个具体步骤加以具体说明。

步骤一：簇建立阶段动态地自动组织聚簇，根据能量均衡原理并且考虑节点能量因素随机选举簇首节点。

在选举簇首节点时，考虑如下两个原则：①能量大的节点成为簇首节点的概率大于能量小的节点成为簇首节点的概率；②能量大的节点在

轮内有再次成为节点的机会；

具体来说，簇首节点选举按照以下方式进行：首先，让某传感器节点选取一个0～1之间的随机值r，如果r小于设定阈值T(n)，则将该节点选为当前轮的簇首节点；所述设定阈值T(n)按照如下方式计算：

$T\left(n\right)=\frac{p\·\mathrm{\λ}(v,n)}{1-p\·\mathrm{\λ}(v,n)\·\frac{\mathrm{ChNum}}{\mathrm{NodeNum}}}$

其中：p为在LEACH协议中该节点成为簇首节点的概率；λ(v,n)为加权系数，与该节点自身能力有关且成正比；ChNum为轮内所有成为簇首的节点数目，当

轮结束或ChNum和NodeNum相等时，将ChNum清零并进入下一轮循环；NodeNum为所属簇的节点总数。

步骤二：簇建立阶段完成后，非簇首节点将需要发送的数据传送到各自所在簇的簇首节点。

簇建立阶段完成后：成为簇首的节点向网络中其他节点广播信息，声明自己是新的簇首节点；其他非簇首节点在获取该广播信息后，根据广播信号的强度决定加入哪个聚簇，然后申明自己所属簇的簇首节点；在获取到其他节点归属情况和各个簇包含节点数后，簇首创建TDMA时隙表并安排每个节点开始传输数据的时间点，该时隙表随后被广播给簇中的节点。

步骤三：利用最小生成树普利姆算法构建簇树分层网络路由，最小生成树普利姆算法中的各点对应于无线传感网络中已经选举出的簇首节点、边的权重对应于各个簇首节点之间的能量加权距离，将簇首节点构建成多跳路由网络结构。

利用最小生成树普利姆算法构建簇树分层网络路由时：

设定各个节点的位置时固定的且移动性概率很低，低于阈值；

设定各个节点的身份信息ID都已被定义好且可以在广播信息中传送；

定义能量加权距离ED为综合考虑了节点收发、传输能耗和本身剩余能量的参数，比如在实际应用中可以用ED=RSSI×10^(-Eres)的公式计算，其中RSSI为接收的信号强度指示（Received Signal Strength Indication），Eres为节点当前剩余能量，ED与Eres负相关。

簇首之间的路由生成的工作过程如图2所示，具体描述如下：

a、初始状态时，各簇首节点之间广播信息，信息中包含在本地保存的各簇首节点的ID、位置和能量信息，通过这些信息选举出每轮中剩余能量最大的簇首节点并标记为树根节点，同时标记基站（BS）为该簇头节点的父节点；

b、该树根节点利用最小生成树普利姆算法构造最小生成树原理，将下一跳中和自己的能量加权距离最小的簇首节点标记为自己的子节点，相应地该子节点将此根节点标记为自己的父节点；

c、步骤b中选择出的子节点利用相同的方法向下一跳簇首节点搜索：若该子节点没有搜索到有效的能量加权距离最小的簇首节点，则返回其父节点继续搜索；若该子节点搜索到有效的能量加权距离最小的簇首节点，则双方互相标记父子节点并继续向下执行路由算法；

d、重复步骤c，直至所有簇首节点都加入树中，则成功构建出簇树分层网络路由。

步骤四：簇首之间的路由建立后，簇首开始通过各自的路由将数据传输到基站；经过设定时长后，返回步骤一，网络再次进入簇建立阶段，进行新一轮簇首节点选举。

下面对本发明方法和其他方法的性能对比作出说明。

图4、5、6的仿真场景设置如下：假定100个传感器节点随机分布在100×100m的区域内，进行5000轮仿真。一些参数设定如表1所示：

表1参数设定

相关参数	取值
		仿真区域大小	100m×100m
传感器节点数量	100个
		基站节点坐标	（50,50）
单位发送、接收能耗ETX、ERX	50nJ/bit
		单位面积功放能耗Emp	100pJ/bit/m2
数据融合能耗Eda	5nJ/bit/signal
		初始能量	0.5J
成为簇首概率p	0.1
		数据包长度	4000bits
控制包长度	100bits
		仿真轮数	2000轮

使用LEACH协议选择出的簇首节点如图4所示，其中实心点表示簇首；使用本发明方法（OEECTH协议）选择出的簇首节点如图5所示，其中实心点表示簇首。分别使用OEECTH协议和LEACH协议进行性能测试，得到的网络生存周期如表2所示。

表2网络生存周期

网络生存周期（轮数）	首个节点死亡	50个节点死亡	100个节点死亡
				LEACH协议	614	1215	2000
OEECTH协议	904	1302	1993

由图6中可以看出，OEECTH协议的生存节点数一般都多余LEACH，且其生存周期要比LEACH长，当LEACH协议出现首个死亡节点时，OEECTH中仍没有节点死亡，且首个死亡节点出现的时间比其延迟290轮的长度，整体来说OEECTH节点死亡的速度要小于LEACH。仿真结果表明，相对于LEACH协议，OEECTH协议可延长网络的生存周期。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，其特征在于：（1）在簇首选举阶段考虑传感器节点能量因素；（2）基于最小生成树普利姆算法的OEECTH路由生成；该方法具体包括依次执行的如下步骤：

步骤一：簇建立阶段动态地自动组织聚簇，根据能量均衡原理并且考虑节点能量因素随机选举簇首节点；

步骤二：簇建立阶段完成后，非簇首节点将需要发送的数据传送到各自所在簇的簇首节点；

步骤三：利用最小生成树普利姆算法构建簇树分层网络路由，最小生成树普利姆算法中的各点对应于无线传感网络中已经选举出的簇首节点、边的权重对应于各个簇首节点之间的能量加权距离，将簇首节点构建成多跳路由网络结构；

步骤四：簇首之间的路由建立后，簇首开始通过各自的路由将数据传输到基站；经过设定时长后，返回步骤一，网络再次进入簇建立阶段，进行新一轮簇首节点选举。

2.根据权利要求1所述的能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，其特征在于：所述步骤一中，在选举簇首节点时，考虑如下两个原则：①能量大的节点成为簇首节点的概率大于能量小的节点成为簇首节点的概率；②能量大的节点在轮内有再次成为节点的机会；

具体来说，簇首节点选举按照以下方式进行：首先，让某传感器节点选取一个0～1之间的随机值r，如果r小于设定阈值T(n)，则将该节点选为当前轮的簇首节点；所述设定阈值T(n)按照如下方式计算：

$T\left(n\right)=\frac{p\·\mathrm{\λ}(v,n)}{1-p\·\mathrm{\λ}(v,n)\·\frac{\mathrm{ChNum}}{\mathrm{NodeNum}}}$

其中：p为在LEACH协议中该节点成为簇首节点的概率；λ(v,n)为加权系数，与该节点自身能力有关且成正比；ChNum为

轮内所有成为簇首的节点数目；NodeNum为所属簇的节点总数，当轮结束或ChNum和节点总数相等时，将ChNum清零并进入下一轮循环。

3.根据权利要求1所述的能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，其特征在于：所述步骤二中，簇建立阶段完成后：成为簇首的节点向网络中其他节点广播信息，声明自己是新的簇首节点；其他非簇首节点在获取该广播信息后，根据广播信号的强度决定加入哪个聚簇，然后申明自己所属簇的簇首节点；在获取到其他节点归属情况和各个簇包含节点数后，簇首创建TDMA时隙表并安排每个节点开始传输数据的时间点，该时隙表随后被广播给簇中的节点。

4.根据权利要求1所述的能效优化的簇树分层无线传感网路由方法，其特征在于：所述步骤三中，簇首之间的路由生成的工作过程描述如下：

a、初始状态时，各簇首节点之间广播信息，信息中包含在本地保存的各簇首节点的ID、位置和能量信息，通过这些信息选举出每轮中剩余能量最大的簇首节点并标记为树根节点，同时标记基站为该簇头节点的父节点；

b、该树根节点利用最小生成树普利姆算法构造最小生成树原理，将下一跳中和自己的能量加权距离最小的簇首节点标记为自己的子节点，相应地该子节点将此根节点标记为自己的父节点；

c、步骤b中选择出的子节点利用相同的方法向下一跳簇首节点搜索：若该子节点没有搜索到有效的能量加权距离最小的簇首节点，则返回其父节点继续搜索；若该子节点搜索到有效的能量加权距离最小的簇首节点，则双方互相标记父子节点并继续向下执行路由算法；

d、重复步骤c，直至所有簇首节点都加入树中，则成功构建出簇树分层网络路由。

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