CN107295569A - 一种基于多移动汇聚节点的能量高效的路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于多移动汇聚节点的能量高效的路由协议。在无线传感器网络的感知区域部署多个移动汇聚节点，将每一个移动汇聚节点为簇头，分别构成多个簇集；每个移动汇聚节点能够进行自主性移动，且相互之间均可通信；当前传感器节点首先确定其自身到移动汇聚节点之间的距离，如果所述距离小于其传输半径，则该当前传感器节点就直接与移动汇聚节点通信；否则，计算所述当前传感器节点到移动汇聚节点最大的最佳跳数以及其到下一跳传感器节点的最大距离，寻找出最佳的下一跳传感器节点。本发明避免了能量空洞现象以及簇头分布不均匀的缺陷，减轻了网络流量负载，大大延长了无线传感器网络的生命周期。

Description

一种基于多移动汇聚节点的能量高效的路由协议

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种在无线传感器网络中传递数据的方法。

背景技术

无线传感器网络通常是由大量微小而且低成本的传感器组成，传感器节点通过单跳或者多跳的方式向汇聚节点发送收集过来的信息。这些传感器节点本身具有计算能力、存储能力和通信能力。由于WSN不需要固定网络基础设施的支持，具有易快速部署、易扩展、抗破坏性强、适合恶劣环境等优点，因此，WSN在国防军事、环境监测、医疗健康、工农业生产、抢险救灾等众多领域都具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

由于传感器节点体积较小，节点的计算、存储和通信能力都有限；特别是传感器节点一般采用电池供电,节点一旦布置很难再对它们进行充电，所以无线传感器网络的生命周期会受到能量的限制。如何利用每个传感器节点有限的能量资源并采用一种高效数据传递方法，使能量消耗和能量负载达到平衡成为一个重要的研究课题。

典型的无线传感器网络包括密集部署的静态传感器节点和一个静态的汇聚节点。靠近汇静态聚节点的无线传感器节点负担着较重的数据流量，因能量消耗较快而容易出现能量洞，大大降低了无线传感器网络的生命周期。所以，在传统的路由协议中，为减少能量消耗，通过减少信息传播的跳数和数据量成为首选策略，但是仍然避免不了靠近静态汇聚节点的传感器节点出现能量消耗较快的现象。一些研究者便提出了移动的汇聚节点的策略，这样移动的汇聚节点附近的传感器节点会随着时间变化而变化，在某种程度上平衡了整个无线传感器网络的能量消耗，相比了静态汇聚节点大大延长了无线传感器网络的生命周期。同时，多个的移动汇聚节点在某种程度上比单个的移动汇聚节点在提升无线传感器网络的性能上有着显著的效果。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在无线传感器网络中传递数据的方法，克服了现有技术中存在的能量空洞现象以及簇头分布不均匀的问题，减轻了网络流量负载，大大延长了无线传感器网络的生命周期。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种在无线传感器网络传递信息的方法，在无线传感器网络的感知区域部署多个移动汇聚节点，将每一个移动汇聚节点为簇头，分别构成多个簇集；每个移动汇聚节点能够进行自主性移动，且相互之间均可通信。

进一步，当某一当前传感器节点需要向移动汇聚节点发送数据时，该当前传感器节点首先确定其自身到移动汇聚节点之间的距离，如果所述距离小于其传输半径，则该当前传感器节点就直接与移动汇聚节点通信；否则，计算所述当前传感器节点到移动汇聚节点最大的最佳跳数以及其到下一跳传感器节点的最大距离；在小于所述最大最佳跳数和小于所述最大距离的全部传感器节点中选出下一跳候选移动传感器节点，使所述下一跳候选移动传感器节点到移动汇聚节点的距离小于该当前传感器节点到移动汇聚节点的距离；再在所述下一跳候选移动传感器节点中选取出剩余能量最大的传感器节点作为最终的下一跳传感器节点。

进一步，移动汇聚节点收集完每轮数据后，根据与其距离一跳的邻居传感器节点的剩余能量判断是否移动到新位置，判断方法为：

步骤3.1，判断各邻居传感器节点的剩余能量是否低于给定的能量阈值E_th，如果剩余能量低于给定能量阈值E_th的邻居传感器节点的数量与全部邻居传感器节点数量的比值超过给定的比例p％则该移动汇聚节点需要寻找一个新位置，在该新位置，存在超过1-p％的邻居传感器节点的剩余能量不低于给定的能量阈值E_th；

步骤3.2，如果能够找到满足上述条件的新位置，则该移动汇聚节点移动到新位置，如果未能找到符合上述条件的新位置，则调整能量阈值E_th，使E_th＝βE_th，其中0＜β＜1，然后返回步骤3.1，直至找到满足上述条件的新位置；在调整能量阈值E_th的过程中，当能量阈值E_th调整到最小值E_min时不再调整。

进一步，移动汇聚节点寻找新位置的方法为：

把以移动汇聚节点为中心的簇集内的传感器节点都看作是新位置的候选点，设置参数n_hops表示距离汇聚节点跳数为n的邻居传感器节点，如果在距离移动汇聚节点n跳的邻居传感器节点中没有找到合适的新位置，则增加参数n_hops的值，直到找到合适的位置为止，即n_hops≤n_max，n_max为最大跳数；

移动汇聚节点向距离为n跳的邻居传感器节点发送请求新位置的信息，当邻居传感器节点收到移动汇聚节点所发送的请求新位置的信息时，邻居传感器节点向距离自己一跳的其他邻居传感器节点发送请求剩余能量等级的信息，当其他邻居传感器节点收到各自区域剩余能量等级的信息后，发送给移动汇聚节点；

移动汇聚节点根据所要移动区域的剩余能量等级来判断出最佳的移动位置，如果在移动汇聚节点收到的所述区域的剩余能量等级中，只有一个区域的剩余能量等级满足条件，即该区域内一跳的邻居传感器节点的剩余能量E′_th＝E_th+αE_th，其中0＜α＜1，则移动汇聚节点就移动到该区域，作为新位置；如果存在多个区域的剩余能量等级满足条件，则比较所述区域的剩余能量总和，将剩余能量总和最大值对应区域作为移动汇聚节点最终移动的新位置；如果未找到最佳的移动位置，则增大参数n_hops后按照前述方法重新寻找新位置。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)确定节点与汇聚节点之间的最佳跳数，能够调整和平衡节点的能量消耗；(2)检测距离汇聚节点一跳的邻居节点的剩余能量，有效的避免了热节点的现象；(3)采用多个移动汇聚节点的策略，大大减少了整个网路节点的能量消耗。

附图说明

图1是实施本发明的一个无线传感器网络示意图。

图2是图1中移动汇聚节点移动到新位置后的示意图。

图3是本发明中的成簇流程图。

图4是本发明中汇聚节点寻找新位置的流程图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发在无线传感器网络传递信息的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1，无线传感器网络包括由各圆点表示的无线传感器，假设无线传感器网络的感知区域为一个矩形区域，在感知区域内部署了三个以三角形表示的移动汇聚节点S1、S2、S3，将每一个移动汇聚节点看作一个簇头节点，从而构成了分别以移动汇聚节点S1、S2、S3为中心的三个簇集。结合图2，经过一段时间后，移动汇聚节点S1、S2、S3均移动到各自新的位置。

部署多个移动汇聚节点

如前所述，本发明在感知区域部署了三个移动汇聚节点S1、S2、S3，这些移动汇聚节点均匀分布在感知区域之中。本发明中，以汇聚节点为中心将感知区域划分成了三个簇集，把汇聚节点看作簇头节点，从而保证了簇头节点的分布均匀。每个移动汇聚节点之间都能够相互通信，并且能够进行自主性移动。采用这种多移动汇聚节点的策略，能够有效的实现整个无线传感器网络的能量负载平衡，延长传感器网络的生命周期。

成簇阶段

初始阶段，本发明将每个移动汇聚节点看作一个簇集的簇头节点。每一个传感器节点需要轮流向其相应的移动汇聚节点发送数据。通过以下移动方法，本发明可以实现一条链上的传感器节点所消耗的能量相等，从而实现延长整个网络的生命周期。

对于第i个传感器节点，其传输一个长度为l位的数据时，不仅要传输自己的数据一次，而且还要轮流传输i-1次其它所有传感器节点的数据给其相应的移动汇聚节点。则对于第i个传感器节点所需要的能量消耗的计算公式如下：

其中，E_elec表示第i个传感器节点的发送器或者接收器发送或者接收每一位数据需要消耗的能量，表示第i个传感器节点的传输距离传输，当d_i小于传感器节点的传输半径时，α＝2，当d_i大于传感器节点的传输半径时，α＝4，ε_amp表示信道条件。

令E_i＝E_i+1，则可以得到如下公式：

其中，d_i+1表示到下一跳传感器节点的距离，又因为d_n>0，d_n表示到第n各传感器节点的距离，也就是说：

所以必定满足以下公式：

或者

根据上述公式就能得到每个传感器节点到其相应移动汇聚节点的最佳跳数n以及相邻传感器节点之间的距离，其中d₁表示到第一个邻居的距离。

当某一当前传感器节点需要向移动汇聚节点发送数据时，该当前传感器节点首先确定其自身到移动汇聚节点之间的距离，如果该距离小于其传输半径，那么该当前传感器节点就与移动汇聚节点直接通信。否则，该当前传感器节点根据上述公式计算出其到移动汇聚节点的最大的最佳跳数以及到下一跳传感器节点的最大距离，由于小于所述最大最佳跳数和小于所述到下一跳传感器节点最大距离的传感器节点不止一个，因此，再在全部满足小于所述最大最佳跳数和小于所述到下一跳传感器节点最大距离的传感器节点中选出下一跳候选移动传感器节点，使该候选移动传感器节点到移动汇聚节点的距离小于该当前传感器节点到移动汇聚节点的距离；由于，满足到移动汇聚节点的距离小于当前传感器节点到移动汇聚节点距离的下一跳候选移动传感器节点有可能也不止一个，因此，再在这些下一跳候选移动传感器节点中选取剩余能量最大的传感器节点作为最终的下一跳传感器节点。

例如，当源节点需要向汇聚节点发送数据时，首先确定源节点到汇聚节点之间的距离，如果距离小于节点的传输半径，那么源节点就与汇聚节点直接通信。否则，源节点i根据上述算法能够确定到汇聚节点的最佳跳数以及到下一跳节点的距离，在符合这一条件的所有下一跳候选节点j中，再选出到汇聚节点的距离小于当前节点到汇聚节点的距离，即d_j,BS＜d_i,BS，作为新的下一跳候选节点。最后，在这些下一跳的候选节点中选取剩余能量最高的节点作为最终的下一跳节点。以此类推，直到最终到达汇聚节点。

汇聚节点移动条件

移动汇聚节点收集完每轮数据后，本发明将进一步考查与距离移动汇聚节点一跳的邻居传感器节点的剩余能量。如果在距离移动汇聚节点一跳的全部邻居传感器节点中存在超过一定比例的的邻居传感器节点的剩余能量低于给定的能量阈值E_th，例如有超过p％的邻居传感器节点的剩余能量低于给定的能量阈值E_th则该移动汇聚节点需要寻找新的位置，该新位置所在区域为一个传感器节点剩余能量富裕的区域，即在该新位置有超过1-p％的邻居传感器节点的剩余能量不低于给定的能量阈值E_th。即该区域的剩余能量必须满足E′_th＝E_th+αE_th，其中0＜α＜1。如果该移动汇聚节点能够找到上述新的位置，则移动到该位置，如果该移动汇聚节点未能找到符合所述剩余能量要求的新的位置，则动态的调整给定的能量阈值E_th，使E_th＝βE_th，其中0＜β＜1，直到找到满足剩余能量要求的新位置，或者能量阈值E_th调整到一个最小值E_min，低于这个最小值E_min便不再调整。

寻找移动汇聚节点最佳移动位置

本发明采用了增量环的方法寻找移动汇聚节点的新位置，把以移动汇聚节点Si为中心的簇集内的传感器节点都看作是新位置的候选节点，设置了一个参数n_hops表示距离汇聚节点跳数为n的邻居节点，如果在距离移动汇聚节点n跳的邻居传感器节点中没有找到合适的新位置时，便会增加参数n_hops的值，直到找到合适的位置为止，即n_hops≤n_max，n_max为最大跳数。

移动汇聚节点向距离为n跳的邻居传感器节点发送一个请求新位置的信息，当这些邻居传感器节点收到汇聚节点所发送的请求信息时，这些邻居节点便会向距离自己一跳的邻居传感器节点发送一个请求剩余能量等级的信息。当这些邻居节点收到各自区域剩余能量等级的信息后，发送给移动汇聚节点。

汇聚节点会根据所要移动区域的剩余能量等级来判断出最佳的移动位置。如果在汇聚节点收到的这些区域的剩余能量等级中，只有一个区域的剩余能量等级是满足条件的，即该区域内一跳的邻居节点的剩余能量E′_th＝E_th+αE_th，其中0＜α＜1，则汇聚节点就移动到该区域S_k作为新位置。如果存在多个区域的剩余能量等级满足条件，那么就比较这些区域的剩余能量总和，然后取剩余能量总和最大值对应区域作为汇聚节点最终的移动位置。如果不存在合适的区域，就增大参数n_hops，然后按照上述方法寻找汇聚节点移动的最佳区域。

Claims (4)

1.一种在无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于，在无线传感器网络的感知区域部署多个移动汇聚节点，将每一个移动汇聚节点为簇头，分别构成多个簇集；每个移动汇聚节点能够进行自主性移动，且相互之间均可通信。

2.如权利要求2所述在无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于，当某一当前传感器节点需要向移动汇聚节点发送数据时，该当前传感器节点首先确定其自身到移动汇聚节点之间的距离，如果所述距离小于其传输半径，则该当前传感器节点就直接与移动汇聚节点通信；否则，

计算所述当前传感器节点到移动汇聚节点最大的最佳跳数以及其到下一跳传感器节点的最大距离；在小于所述最大最佳跳数和小于所述最大距离的全部传感器节点中选出下一跳候选移动传感器节点，使所述下一跳候选移动传感器节点到移动汇聚节点的距离小于该当前传感器节点到移动汇聚节点的距离；再在所述下一跳候选移动传感器节点中选取出剩余能量最大的传感器节点作为最终的下一跳传感器节点。

3.如权利要求3所述在无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于，移动汇聚节点收集完每轮数据后，根据与其距离一跳的邻居传感器节点的剩余能量判断是否移动到新位置，判断方法为：

步骤3.1，判断各邻居传感器节点的剩余能量是否低于给定的能量阈值E_th，如果剩余能量低于给定能量阈值E_th的邻居传感器节点的数量与全部邻居传感器节点数量的比值超过给定的比例p％则该移动汇聚节点需要寻找一个新位置，在该新位置，存在超过1-p％的邻居传感器节点的剩余能量不低于给定的能量阈值E_th；

步骤3.2，如果能够找到满足上述条件的新位置，则该移动汇聚节点移动到新位置，如果未能找到符合上述条件的新位置，则调整能量阈值E_th，使E_th＝βE_th，其中0＜β＜1，然后返回步骤3.1，直至找到满足上述条件的新位置；在调整能量阈值E_th的过程中，当能量阈值E_th调整到最小值E_min时不再调整。

4.如权利要求3所述在无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于，移动汇聚节点寻找新位置的方法为：

把以移动汇聚节点为中心的簇集内的传感器节点都看作是新位置的候选点，设置参数n_hops表示距离汇聚节点跳数为n的邻居传感器节点，如果在距离移动汇聚节点n跳的邻居传感器节点中没有找到合适的新位置，则增加参数n_hops的值，直到找到合适的位置为止，即n_hops≤n_max，n_max为最大跳数；

移动汇聚节点向距离为n跳的邻居传感器节点发送请求新位置的信息，当邻居传感器节点收到移动汇聚节点所发送的请求新位置的信息时，邻居传感器节点向距离自己一跳的其他邻居传感器节点发送请求剩余能量等级的信息，当其他邻居传感器节点收到各自区域剩余能量等级的信息后，发送给移动汇聚节点；

移动汇聚节点根据所要移动区域的剩余能量等级来判断出最佳的移动位置，如果在移动汇聚节点收到的所述区域的剩余能量等级中，只有一个区域的剩余能量等级满足条件，即该区域内一跳的邻居传感器节点的剩余能量E′_th＝E_th+αE_th，其中0＜α＜1，则移动汇聚节点就移动到该区域，作为新位置；如果存在多个区域的剩余能量等级满足条件，则比较所述区域的剩余能量总和，将剩余能量总和最大值对应区域作为移动汇聚节点最终移动的新位置；如果未找到最佳的移动位置，则增大参数n_hops后按照前述方法重新寻找新位置。