CN107318142A - 一种无线传感网簇间分布式路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网簇间分布式路由方法，属于无线传感器网络领域，其有效降低了大规模无线传感器网络簇头间数据传输的干扰。本发明包括簇头间通过Hello消息交换彼此的逻辑连接关系及负载信息，并将其记录入邻居表中；簇头先根据邻居簇头的父簇头数量与流量负载，计算簇头的数据传输对其邻居簇头数据传输的干扰因子；子簇头以父簇头的干扰因子为依据计算各父簇头承担下一跳数据传输的概率。本发明能够有效降低数据传输过程中簇头间的相互干扰，提高网络的数据传输效率。

Description

一种无线传感网簇间分布式路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，具体地说，涉及一种无线传感网簇间分布式路由方法。

背景技术

分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式路由算法的应用，具有较好的可扩展性，适合大规模无线传感器网络应用。分簇路由协议通常将网络划分为簇，每个簇由簇头和多个簇成员组成，簇头管理或控制整个簇内成员节点，数据通过簇头间多跳传输至汇聚节点。由于传感器节点易失效、分簇结构存在瓶颈、簇头的高负载使网络分割的可能性增加，这要求路由算法具有一定的容错能力。同时，无线信号干扰及信道争用也是分簇路由设计过程中不可忽视的重要因素。

针对无线传感器网络分簇路由，围绕簇头的产生、簇的形成和簇的数据传输而设计了许多WSN分簇路由算法。《能量感知的无线传感器网络数据收集协议》，软件学报，2007，18(5)：1092-1109，作者刘明，曹建农，陈贵海等，公开了基于节点自身及其邻居节点剩余能量设计簇头选举及簇构建方案，通过调节簇头覆盖半径确保由簇头形成的子图连通性，再构建汇聚树传输数据。但当网络负载较大时，不同簇成员之间的数据传输容易产生冲突，使得簇头收集数据效率下降，从而容易导致网络拥塞。《efficient routing algorithmbased on unequal clustering and connected graph in wireless sensor networks》，International Journal of Wireless Information Networks,2016,23(2):141-150，作者Xia H，Zhang R，Yu J，公开了通过调节传感器节点的通信半径将传感器网络进行非均匀分簇，再采用连通图理论设计路由选择算法。但分簇时仅考虑能量空洞避免，使得簇网络拓扑为节省能耗而频繁变动，导致维护网络稳定性的代价过大，造成网络性能下降。簇头间路由算法仅使用图论设计簇头间数据传输路由，忽视了无线传感网协议栈的信息共享以及传感器节点数据传输特点，优化效果受限。

从上述现有技术可知，现有WSN簇结构及路由方法能耗不均衡、性能不稳定；如何利用无线传感器网络分布式的特点建立更高效的启发机制、通过局部区域有限范围内节点之间的互动和信息反馈来分簇与路由，在降低节点间数据传输干扰、保证网络运行周期的同时，提高簇稳定性和网络数据传输性能仍然有待进一步创新。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有大规模无线传感器网络簇头间相互干扰的问题，本发明提供一种无线传感网簇间分布式路由方法，能够有效降低数据传输过程中簇头间的相互干扰、缓解重负载情况下网络拥塞程度、平衡网络负载、延长网络生存时间，适用于大规模无线传感器网络应用。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种无线传感网簇间分布式路由方法，包括使用簇头数据传输对其邻居簇头的影响定义干扰因子作为下一跳选择的依据。

优选地，包括如下步骤：

步骤A，簇头间通过Hello消息交换彼此的逻辑连接关系、簇头负载预测值以及自身的干扰因子，并将其记录入各自的邻居表中；邻居表中，标记出簇网络构建过程中直接形成的，或依托簇网络与汇聚节点间距离差异构建的簇头间父、子、同层关系；

步骤B，更新与维护簇头i数据传输对邻居簇头数据传输的干扰因子；

步骤C，下层网络簇头j以上述步骤B中所计算的各父簇头干扰因子为依据，确定各父簇头为下一跳的概率。

步骤D，下层网络簇头j使用轮盘赌方法选择从父簇头中选择下一跳。

优选地，步骤A中簇头i负载预测值的计算公式如下，

L_i、L_j分别表示簇头i及其子簇头j的负载预测值，P_j、C_j分别表示簇头j的父簇头与子簇头集合；U_i为簇头i所在簇的成员节点集合，R_j表示以i为簇头的簇内成员节点j上报数据量的数学期望；||表示集合中元素的个数；

优选地，步骤B中，簇头i数据传输对邻居簇头的数据传输干扰因子的更新与维护，计算公式如下，

右边第一项计算簇头i的数据传输对其所有父簇头的干扰程度；第二项计算簇头i对其所有子簇头数据传输的干扰程度；第三项计算簇头i对所有同层邻居簇头数据传输的干扰程度；

P_i、P_k分别为簇头i和k的父簇头集合，C_j为簇头j的子簇头集合，M_i为簇头i通信半径范围内同层簇头集合，L_k表示簇头k的流量负载预测值；||表示集合中元素的个数。

优选地，步骤C中，下层网络簇头j以其父簇头干扰因子为依据，确定各父簇头为下一跳的概率，计算方法如下，

P_j表示簇头j的父簇头集合，IF_i为簇头j的父簇头i的干扰因子，IF_k为簇头j的父簇头k的干扰因子；X为簇头j通过Hello消息已获取干扰因子值的邻居簇头数量，未获取干扰因子的簇头i干扰因子值IF_i为0，且被选作下一跳的概率为||表示集合中元素的个数。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明定义传感器节点的干扰因子，使用基于干扰因子的无线传感网簇间路由方法，有效降低数据传输过程中簇头间的相互干扰、缓解重负载情况下网络拥塞程度、延长网络生存时间，适用于大规模无线传感器网络应用；

(2)本发明使用的概率路由选择方法以干扰因子为基础，通过为簇头不同的下一跳路由节点分配选择概率，在提高数据传输效率的同时平衡网络负载，避免由于单一簇头由于承担过大的传输任务造成能量损耗过快，导致网络能量分布不均衡以及稳定性的下降。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中簇头i的数据传输对其所有父簇头的干扰场景；

图2为本发明具体实施方式中簇头i对其所有子簇头数据传输的干扰场景；

图3为本发明具体实施方式中簇头i数据传输对同层簇头数据传输的干扰场景；

图4为本发明具体实施方式中构建及其簇头更新方法无线传感网簇网络结构图；

图中A-K表示各簇；短虚线内为第0层网络；实线内为第1层网络；长虚线内为第2层网络；长虚线外为第3层网络；数据通过簇头节点在簇之间传递直至汇聚节点。

图5为本发明中各簇间的通信关系图，图中箭头粗细程度代表了节点流量分布概率。

图中，箭头粗细程度代表了节点流量分布概率。按照本发明中提出的最小干扰因子路径选择策略，簇K中簇头在选择下一跳时，由于选择簇F的簇头会干扰到簇网络A的簇间数据传输，因此有很大机率选择G而非F。同理，簇网络J中簇头在选择下一跳时，为避免对簇网络I中的数据传输造成影响，会偏向选择E而不是D。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

在无线传感器网路中，节点状态随着时间不断变化，从而导致网络拓扑结构也不断发生改变。尤其是在传感器节点分布密集的网络中，普通节点的存储和计算能力有限，使用传统传感器网络路由协议集中控制的路由寻找方法，即收集整个网络拓扑、链路状态等信息并计算和维护整条路由显然是不合理的，采用图论方法构建路由具有较大的开销。因此，在无线传感器网络中使用具有良好的可扩展性和通信能力的层次路由来扮演节能路由的角色是很好的选择。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

如图4所示，一种无线传感网多层次簇结构，存在A-K共11个簇头结构，将网络划分为4层，分别为第0层簇网络、第1层簇网络、第2层簇网络和第3层簇网络；数据通过簇头节点在簇之间传递直至汇聚节点。该簇网络中，逻辑连接关系仅存在于相邻层的簇头间，同层网络的簇头间不存在逻辑连接关系。存在逻辑连接关系的簇头中，将上层网络中的簇头称为父簇头，下层网络中的簇头称为子簇头。

其构建方法，主要是通过以汇聚节点为起点，由近及远地完成全网的多层次簇构建；

具体包括如下步骤，

在传感器节点部署后，节点间定时发送Hello消息收集相邻的邻居节点信息，使用基于RSSI测距的信标节点定位算法，以汇聚节点为信标节点，建立相对坐标***，各节点保存其坐标信息；

步骤A，在网络初始化阶段，以汇聚节点为中心、将传感器节点无线通信半径内的传感器节点划分为第0层簇网络；根据节点是否已经加入到簇结构，将网络中所有节点划分为簇节点和空白节点，簇节点为已经加入到簇结构的节点，反之则为空白节点；

步骤B，使用传感器节点能耗平衡策略方法构建第1层簇网络；

步骤B1，计算步骤A中所述的第0层簇网络中各传感器节点能耗平衡值，并广播簇构建请求消息，节点i的能耗平衡值计算方法如下：

表示节点i的初始能量，J为节点i所有邻居节点j的集合；||表示集合中元素的个数；d(,)表示两个节点间的欧几里得距离。

步骤B2，在收到所有第0层邻居节点的簇构建消息后，空白节点选择具有最大能耗平衡值的邻居节点作为簇头，通过回复入簇消息请求加入簇结构；

步骤B3，第0层节点在接收到空白节点的入簇消息后，检测其自身是否为目标节点，如果自身为目标节点，则广播成簇消息，通知簇成员节点进入睡眠状态；若节点在簇网络构建时长T超时后仍未收到自身为目标节点的入簇请求消息，则该节点为普通节点并进入睡眠状态；至此，完成第1层簇网络的构建；

该步骤中T取2秒，但T可根据网络规模、传感器分布特征、传感器通信半径等进行调整；

步骤C，以簇头能力值为依据，依次建立第1层簇网络的下层簇网络，即建立第2、第3、……第N层簇网络，N≥2；具体步骤为，

步骤C1，第N-1层簇网络中各簇成员计算自身簇头能力值，随后广播簇构建请求消息；

首先，判断节点i担任簇头角色时该簇的稳定值S_i，计算公式如下：

S_i为节点i在第同层簇网络中邻居节点集合，r为通信半径，d(,)表示两个节点间的欧几里得距离，和分别表示节点j的剩余能量和初始能量；

然后，计算节点簇头能力值，

Z_i为节点i通信半径范围内的空白节点集合；R_j(j∈Z_i)为Z_i中的各节点上报数据量的数学期望；P_i为位于节点i通信半径内，且归属于第N-2层簇网络中簇头的集合；||表示集合中元素的个数；

步骤C2，在收到来自第N-1层邻居节点的簇构建消息后，将其簇头能力值保存至邻居表中。在接收到所有上层邻居簇头的簇构建消息后，选择其中具有最大簇头能力值的作为自身簇头，回复入簇消息；

步骤C3，第N-1层节点在接收到第N层节点的入簇消息后，检测其自身是否为目标节点，如果自身为目标节点，则广播成簇消息，通知簇成员节点进入睡眠状态；若节点在簇网络构建时长T＝2秒超时后仍未收到自身为目标节点的入簇请求消息，则该节点为普通节点并进入睡眠状态；至此，完成第N层簇网络的构建；

该步骤中T取2秒，但T可根据网络规模、传感器分布特征、传感器通信半径等进行调整；

步骤C4，重复步骤C1-C3，直至完成整个无线传感网的簇网络构建；

本步骤中承担第N层簇头以及这些簇头覆盖的成员节点构成了第N层簇网络。

上述无线传感网多层次簇结构中簇头更新方法，具体包括如下步骤，

步骤A，簇头i依据剩余能量、流量负载等因素，采用下式评估是否能够满足继续担任簇头，若下式不满足，转步骤B进行簇更新；

表示簇头i的剩余能量，表示簇头i的在一轮数据传输中消耗能量的平均值，C_i为簇头i的子簇头集合，U_i为簇头i所在簇的成员节点集合；R_j以簇头i的簇成员节点j上报数据量的数学期望，L_i、L_j分别表示簇头i及其子簇头j的流量负载的数学期望；

步骤B，簇头i通过广播簇更新消息，通知其邻居节点该进入簇头更新状态；随后邻居节点j根据双方位置、j的剩余能量及所在层次的相邻两层中的邻居簇头信息，按下式计算自身的簇头能力值，

d(,)表示簇头i与节点j的欧几里得距离，表示节点j的剩余能量，C_j表示节点j的通信半径内下层网络中簇头集合，P_j表示节点j通信半径内上层网络中簇头集合，P_k表示节点j的通信半径内下层网络中簇头的父簇头集合，J为簇头i所有邻居节点j的集合；||表示集合中元素的个数；

步骤C，簇头i推选具有最大簇头能力值的节点作为新簇头，再分别由簇头i、新簇头在各自通信半径内广播簇头更换消息，并完成角色转换；

步骤D，收到簇头i的簇头更换消息、但未收到来自新簇头的簇头更换消息的节点根据邻居表判断其通信范围内是否有簇头邻居，如有则向簇头能力值最大的邻居簇头发送请求加入消息，否则进入孤立节点状态。孤立节点选择剩余能量最大的邻居节点中继数据，后期网络运行过程中，如收到新簇头广播消息时加入具有最大簇头能力值的簇；

步骤E，簇更新造成的孤立簇执行步骤B和C进行簇更新。

一种无线传感网簇间分布式路由方法，从前述的无线传感网多层次簇构建方法得到逻辑上存在多连接关系虚拟簇头网络进行树状分布式路由。本发明使用干扰因子作为选择下一跳节点的依据。具体方案如下：

步骤A，簇头间通过Hello消息交换彼此的逻辑连接关系、簇头负载预测值以及自身的干扰因子，并将其记录入各自的邻居表中；

邻居表中，标记出簇网络构建过程中直接形成的簇头间父、子、同层关系；

本步骤中簇头i负载预测值的计算公式如下，

L_i、L_j分别表示簇头i及其子簇头j的负载预测值，P_j、C_j分别表示簇头j的父簇头与子簇头集合；U_i为簇头i所在簇的成员节点集合，R_j表示以i为簇头的簇内成员节点j上报数据量的数学期望；||表示集合中元素的个数；

步骤B，更新与维护簇头i数据传输对邻居簇头数据传输的干扰因子；

本步骤中确定簇头i数据传输对邻居簇头的数据传输干扰因子的更新与维护，计算公式如下，

右边第一项计算簇头i对其父簇头集合中所有成员的子簇头数据传输的干扰程度(图1)；第二项计算簇头i对其子簇头中所有成员数据传输的干扰程度(图2)；第三项计算簇头i对所有同层邻居簇头数据传输的干扰程度(图3)；

P_i、P_k分别为簇头i和k的父簇头集合，C_j为簇头j的子簇头集合，M_i为簇头i通信半径范围内同层簇头集合，L_k表示簇头k的流量负载预测值；||表示集合中元素的个数。

步骤C，下层网络簇头j以所计算的各父簇头干扰因子为依据，确定各父簇头为下一跳的概率；

计算方法如下，

P_j表示簇头j的父簇头集合，IF_i为簇头j的父簇头i的干扰因子，IF_k为簇头j的父簇头k的干扰因子；X为簇头j通过Hello消息已获取干扰因子值的邻居簇头数量，未获取干扰因子的簇头i干扰因子值IF_i为0，且被选作下一跳的概率为||表示集合中元素的个数。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无线传感网簇间分布式路由方法，其特征在于：包括使用簇头数据传输对其邻居簇头的影响定义干扰因子作为下一跳选择的依据。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感网簇间分布式路由方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A，簇头间通过Hello消息交换彼此的逻辑连接关系、簇头负载预测值以及自身的干扰因子，并将其记录入各自的邻居表中；

邻居表中，标记出簇网络构建过程中直接形成的，或依托簇网络与汇聚节点间距离差异构建的簇头间父、子、同层关系；

步骤B，更新与维护簇头i数据传输对其邻居簇头数据传输的干扰因子；

步骤C，下层网络簇头j以上述步骤B中所计算的各父簇头干扰因子为依据，确定各父簇头为下一跳的概率。

3.根据权利要求2所述的一种无线传感网簇间分布式路由方法，其特征在于：步骤A中簇头i负载预测值的计算公式如下，

L_i、L_j分别表示簇头i及其子簇头j的负载预测值，P_j、C_j分别表示簇头j的父簇头与子簇头集合；U_i为簇头i所在簇的成员节点集合，R_j表示以i为簇头的簇内成员节点j上报数据量的数学期望；||表示集合中元素的个数。

4.根据权利要求2所述的一种无线传感网簇间分布式路由方法，其特征在于：步骤B中，更新与维护簇头i数据传输对邻居簇头数据传输的干扰因子，计算公式如下，

右边第一项计算簇头i的数据传输对其所有父簇头的干扰程度；第二项计算簇头i对其所有子簇头数据传输的干扰程度；第三项计算簇头i对所有同层邻居簇头数据传输的干扰程度；

P_i、P_k分别为簇头i和k的父簇头集合，C_j为簇头j的子簇头集合，M_i为簇头i通信半径范围内同层簇头集合，L_k表示簇头k的流量负载预测值；||表示集合中元素的个数。

5.根据权利要求2所述的一种无线传感网簇间分布式路由方法，其特征在于：步骤C中，下层网络簇头j以其父簇头干扰因子为依据，确定各父簇头为下一跳的概率，计算方法如下，

P_j表示簇头j的父簇头集合，IF_i为簇头j的父簇头i的干扰因子，IF_k为簇头j的父簇头k的干扰因子；X为簇头j通过Hello消息已获取干扰因子值的邻居簇头数量，未获取干扰因子的簇头i干扰因子值IF_i为0，且被选作下一跳的概率为||表示集合中元素的个数。