CN109547966A - 输电线路无线传感器网络的路由规划及故障诊断备份方法 - Google Patents

Abstract

一种输电线路无线传感器网络的路由规划及故障诊断备份方法，针对分簇，路由规划及故障备份三个方面进行优化，在分簇方面提出了一种基于能量均衡和能耗最优的均匀分簇算法，考虑了剩余能量和通信负载两个因素，再根据距离因素对簇头的分布进行均匀化处理；在路由规划方面提出了一种基于业务区分的数据转发机制，在满足时延要求的情况下，对不同时延要求业务分配相应路径进行数据转发；在故障备份方面提出了一种基于剩余能量和最优能耗的故障备份机制，分为链路备份和节点备份两部分。本发明方法能够在满足业务时延约束要求及可靠性的情况下，均衡各个簇头的通信负载，降低数据传输过程的总能耗，最终延长网络的生命周期。

Description

输电线路无线传感器网络的路由规划及故障诊断备份方法

技术领域

本发明属于电力物联网技术领域，涉及输电线路无线传感器网络，为一种基于能耗均衡的输电线路物联网传感和监测应用的路径规划及故障备份方法。

背景技术

电力行业是物联网技术应用较为广泛的领域之一，例如输电线路在线监测、智能变电站、智能机房等，这些物联网(IoT)中的传感器设备将满足智能家居，身体/健康监测，环境监测，基于状态的维护等应用。输电线路是电网资产最大、分布最广、设备运行环境复杂恶劣及外力影响因素多发的电力环节。由于输电线路的设备安全问题，如导线运行温度过高、弧垂变化、风偏放电、微风振动、杆塔倾斜等，迫切需要输电线路上安装有效的传感设备。故障在线监测***将各类设备参数通过物联网网关传送到数据处理中心，然后采用先进的数据分析技术处理各类设备数据，判断输电线路是否有故障发生。这为电网安全决策提供依据。

为了解现有技术的发展状况，对已有的论文和专利进行了检索、比较和分析，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：

技术方案1：《一种能量高效的无线传感器网络路由方法》，专利公告号CN101360051B，涉及一种能量高效的分层路由方法，该方法的关键步骤如下：第一，协议初始化。通过洪泛的方式，使得Sink节点获取网络拓扑和网络中各个节点剩余能量信息,传感器节点获取自己距离Sink节点的跳数和邻居节点信息,在协议初始化之后，Sink节点能够计算网络的总剩余能量和网络平均能量；每个传感器节点知道自己的邻居节点信息以及各个邻居节点到Sink节点的跳数，为簇建立创造条件；第二，簇的建立。根据预先设定的簇头数,使用重复分割法划分出传感器网络簇，保证剩余能量高于网络平均能量的传感器节点成为簇头，完成成簇工作，并使簇头节点地理位置分布均匀，每个簇内节点数基本相同以均衡网络节点负载；第三，簇间路由。采用蚁群算法进行簇间路由，包括形成簇头节点的路由表、计算链路信息素浓度和选择信息传输链路。

技术方案2：《一种基于模糊决策的低功耗自适应分簇多跳无线传感器网络拓扑控制方法》，专利公开号CN104394566 A，涉及一种基于LEACH协议的分层路由规划方法，该方法的关键步骤如下：第一，簇头选举。本发明使用LEACH协议中一样的随机选取簇头的策略。初始化时，每个传感器节点N随机生成0到1的数，若随机数低于门限值T(N)，则该传感器节点就当选为簇头。第二，成簇。在各区选取好簇头之后，各个传感器节点根据收到信号强弱来选择加入哪个簇。如果没有簇头存在，该传感器节点则直接与基站通信，否则非簇头的传感器节点的行为一般都在簇的范围之内。第三，簇间路由选择。在簇的结构以及簇头选定之后，将为每个簇头及直接与基站通信的传感器节点选出一条通往基站的通信路径，在此处引入模糊集合和模糊决策的理论，算法的思想如下：1)把所有簇头及直接与基站通信的传感器节点分为三个集合，分别用不同的隶属函数来衡量这些传感器节点的隶属度；2)进行判别把隶属度为0的传感器节点直接去除，并取交集减少候选传感器节点的范围；3)利用模糊决策的理论，对剩余传感器节点进行评分相加，取得分最高者作为下一跳的中继节点。

技术方案3：《无线传感器网络故障诊断方法》，专利公开号为CN102340811A，涉及无线传感器网络和故障诊断领域，公开了一种无线传感器网络故障诊断方法，该方法的关键步骤如下：第一，在线实时采集无线传感器网络中的传感器节点所测量到的数据；第二，利用所述数据的时空特性检测单个传感器节点的故障；第三，利用相邻节点之前的相关性检测整个无线传感器网络的故障；第四，对步骤二和步骤三这两个过程获取到的参数进行属性约简；第五，根据步骤四的属性约简结果得出无线传感器网络的故障诊断结果。

针对上述现有技术进行分析，存在以下问题：

技术方案1采用了一种能量高效的无线传感器网络路由方法，针对分层的传感器网络体系结构，采用蚁群算法来实现传感器网络路由协议，其特征是：根据剩余能量确定节点是否具有竞选簇头的资格；根据节点地理位置，利用重复分割法进行簇划分，保证各个簇地理位置均匀及簇内节点数相近；簇成员节点通过单跳的方式将信息传输给簇头；采用蚁群算法，根据各个链路上的信息素浓度选择路由链路，进行簇间路由，将各个簇的数据传送到Sink节点；随着网络的运行,周期性计算链路的信息素浓度，并依据此信息更新节点路由表，维护路由信息。该方法在簇间路由上采用了蚁群算法可以保证选择链路的合理性。但是蚁群算法收敛时间过长，不适合大规模传感器网络场景的应用。

技术方案2采用了一种基于模糊决策的低功耗自适应分簇多跳无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于，按一轮为一个循环，每一轮包括建立阶段和稳定阶段；所述的建立阶段包括簇头选举，成簇，簇间路由选择三个步骤；所述的簇头选举的步骤使用LEACH协议中一样的随机选取簇头的策略。簇头选择的随机性可能会导致节点分布不理想进行影响稳定阶段数据传输的性能。所述的数据传输的步骤。该方法在数据传输阶段，簇头节点使用模糊决策来选择下一跳中继节点，该方式优化了数据传输中下一跳节点的选择，使剩余能量较多，距离汇聚节点较近的下一跳节点更可能成为中继节点。但是该方式没有对业务数据进行区分，低QoS业务与高QoS业务都选择较短路径传输，造成多余能量消耗和网络拥塞。

技术方案3采用了一种WSN中基于测量数据时空特性的故障诊断方法，该方法利用无线传感器网络中的传感器节点所测量到的数据的时空特性检测单个节点的故障，并利用节点之间的相关性实现网络中全部节点的快速、正确地故障检测。还并根据无线传感器网络的应用环境和故障特征得到诊断决策表，利用改进的粗糙集中的归纳属性约简算法对诊断决策表进行属性约简，用Hamming网络建立一套故障分类的方法。虽然该方法能对传感器节点进行实时检测，但是该方法没有考虑传感器节点的故障修复情况，也没有故障节点备份机制，这对于物联网输电线路中人工修复故障节点及链路成本高的情况不相适应，当有大量节点发生故障后，可能会对整个网络的性能产生重大影响。

发明内容

针对现有技术在无线传感器网络的路径传输以及故障安全方案存在的缺陷，本发明的目的在于研究针对输电线路无线传感器网络的路由规划方法，该方法基于分层的无线传感器网络，首先研究一种均匀，高效的分簇方式为后续簇头节点进行高性能的数据传输做铺垫，之后，簇头节点在进行数据传输时，可以根据业务优先级选择合适的簇头节点进行中继，从而形成优化的端到端路由，实现负载均衡，延长网络生命周期，同时，本发明还根据路由规划提出一种均匀能耗的故障备份方式，以保证业务数据的可靠传输。

本发明的技术方案为：一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法，先是对传感器网络进行均匀分簇，然后在进行数据传输时，簇头节点收集邻接簇头节点及簇内节点发送的信息，并进行基于业务区分的路由转发，包括以下部分：1)簇头选择，基于能量和节点通信负载两种因素建立簇头选择机制，使剩余能量高，通信负载大的节点更可能成为簇头节点；2)簇头分布，对选出的簇头进行优化处理，设定相邻簇头节点的最佳距离范围，并以此为依据通过增删簇头节点使簇头节点分布更加均匀；3)数据传输，基于业务优先级进行路由规划，簇头对接收到的不同业务的数据包进行优先级排序，根据数据包的业务优先级规划不同的路径进行数据转发。

进一步的，还提出一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法的故障诊断方法，基于信息协商传感协议SPIN进行故障诊断，使用三种类型的消息进行：探测PRO消息、应答REP消息和数据DATA消息，

第一步：传感器节点首先向它的下一跳临节点发送PRO信息，该信息用于侦测下一跳节点是否正常；

第二步：下一跳节点接收到PRO信息后，回复REP信息给源节点，并转到第三步；若在一段时间内源节点没有接收到REP信息，则认为下一跳节点发生故障，并通过洪泛法告知其他传感器节点该节点故障情况，源节点根据容错机制对数据信息进行重新发送，并转到第一步；

第三步：源节点在接收到REP信息后，发送DATA信息给下一跳节点。

进一步的，还提出一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法的故障备份方法，分为链路备份和故障备份两部分，链路备份基于数据转发方式，每个节点向不用的路径进行数据转发，从而起到链路备份的作用；节点备份根据故障诊断进行：数据传输中基于剩余能量和最优能耗进行故障节点备份，簇头节点在进行数据转发时，如发现选择路径的下一跳簇头节点死亡，则重新规划路径，选择其他路径的簇头节点进行数据转发，其中，在每个周期的节点备份阶段，通过设定权值的方式，在每个簇内选择权重最大的簇节点作为备份节点，当簇头节点死亡后，由备份簇头节点代替簇头节点进行数据汇聚和转发。

本发明基于分层路由算法，改进了传统分层算法的分簇和路由规划两个阶段，并提出了一种故障备份机制。在分簇阶段，本发明提出了一种基于能量均衡和能耗最优的均匀分簇算法，考虑了剩余能量和通信负载两个因素，再根据距离因素对簇头的分布进行均匀化处理。在路由规划阶段，本发明提出了一种基于业务区分的数据转发机制，在满足时延要求的情况下，对不同时延要求业务分配相应路径进行数据转发，最终达到在满足业务时延约束要求的情况下，均衡各个簇头节点的通信负载，降低数据传输过程的总能耗，最终延长网络的生命周期。在路由规划的故障备份方面，本发明提出了一种故障诊断机制和备份资源共享机制。故障诊断机制与“三次握手”协议类似，可对节点是否发生故障进行诊断。备份资源共享机制包含链路备份和节点备份两方面。由于本发明方法在数据传输方面实现了多路径规划，所以若主路径失效，则仍可由其余路径对数据包进行转发。同时，通过设定权值的方式，每个簇内都会存在一个权值较大备份簇头节点，当簇头节点死亡后，由备份簇头节点代替簇头节点进行数据汇聚和转发，该方法保证了业务数据的可靠传输。

本发明的技术创新点在于：

1)提出了一种基于能耗均衡的输电线路物联网传感和监测应用的路径规划及故障备份方法(EHRPFB)，包括基于能量均衡和能耗最优的均匀分簇机制，基于业务区分的数据转发机制以及基于剩余能量和最优能耗的故障节点备份机制；

2)提出一种分簇机制来对整个传感器网络拓扑结构进行规划，该机制在簇头节点选择上考虑节点的剩余能量和节点的通信负载，使剩余能量高通信负载大的节点更可能成为簇头节点；在簇头分布上，该机制根据整个网络规模和节点分布状况设定相邻簇头节点的最佳距离范围，并以此为依据通过增删簇头节点使簇头节点分布更加均匀；

3)提出一种数据转发机制来对整个网络的数据传输进行规划，簇头节点依据该机制进行数据转发，对接收到的不同业务的数据包进行优先级排序，根据相邻簇头节点的剩余能量状况及距离，对不同优先级的数据包选择符合整个网络负载均衡的方式进行转发，从而提高整个传感器网络的生命周期；

4)提出一种故障备份机制来对死亡的簇头节点进行交替，该机制分为链路备份和故障备份两部分内容，链路备份基于本发明设计的数据转发方式，每个节点向不用的路径进行数据转发，从而起到链路备份的作用；节点备份则是通过设定权值的方式，当簇头节点发生故障，则由权值最大的簇节点作为备份簇头节点代替故障簇头节点进行数据汇聚和数据转发，最终满足整个网络数据传输的可靠性。

本发明提出了一种基于能耗均衡的输电线路物联网传感和监测应用的路径规划及故障备份方法(EHRPFB)，其优点在于：

本发明方法针对分簇，路由规划及故障备份三个方面进行优化。在分簇方面，本发明提出了一种基于能量均衡和能耗最优的均匀分簇算法，考虑了剩余能量和通信负载两个因素，再根据距离因素对簇头的分布进行均匀化处理。在路由规划方面，本发明提出了一种基于业务区分的数据转发机制，在满足时延要求的情况下，对不同时延要求业务分配相应路径进行数据转发。在故障备份方面，本发明提出了一种基于剩余能量和最优能耗的故障备份机制。该机制分为链路备份和节点备份两部分。链路备份基于本发明设计的数据转发方式，每个节点可以向不用的路径进行数据转发，从而起到链路备份的作用；节点备份则是通过设定权值的方式，当簇头节点发生故障，则由权值最大的簇节点作为备份簇头节点代替故障簇头节点进行数据汇聚和数据转发。评估结果显示，本发明所提出的算法能够在满足业务时延约束要求及可靠性的情况下，均衡各个簇头的通信负载，降低数据传输过程的总能耗，最终延长网络的生命周期。

附图说明

图1为本发明方法在长链式输电线路的拓扑结构示意图。

图2为本发明链路容错机制示意图。

图3为本发明的节点容错机制示意图。

图4为本发明基于能量均衡和能耗最优的均匀分簇机制流程图。

图5为本发明基于业务优先级的数据转发机制流程图。

图6为本发明基于剩余能量和最优能耗的故障备份机制流程图。

图7为本发明与现有技术的I-LEACH算法的分簇结果比较图，显示了分簇第1轮的节点死亡情况，(a)为I-LEACH算法，(b)为本发明方法。

图8为本发明与现有技术的I-LEACH算法的分簇结果比较图，显示了分簇第30轮的节点死亡情况，(a)为I-LEACH算法，(b)为本发明方法。

图9为本发明与现有技术的I-LEACH算法的分簇结果比较图，显示了分簇第50轮的节点死亡情况，(a)为I-LEACH算法，(b)为本发明方法。

图10为本发明与I-LEACH算法的节点死亡的死亡轮数对比。

图11为CRLA簇间路由算法及基于蚁群算法的路由规划示意图，(a)为蚁群算法，(b)为CRLA算法。

图12为本发明基于业务区分的路由规划示意图，(a)为较高业务优先级业务的路由规划，(b)为较低业务优先级的路由规划。

图13为本发明基于业务区分的路由规划方法、CRLA簇间路由算法、以及基于蚁群算法的三种算法每一轮的节点死亡情况，显示了多次试验的均值。

图14为本发明基于业务区分的路由规划方法、CRLA簇间路由算法、以及基于蚁群算法的三种算法，每一轮的所有生存节点剩余能量方差制成的折线图。

图15为在不同节点故障概率下有无备份机制的有效率对比图，(a)节点故障概率p＝0.001，(b)节点故障概率p＝0.005，(c)节点故障概率p＝0.01，(d)节点故障概率p＝0.05。

具体实施方式

通过研究发现，无线传感器网络中的分层路由规划算相较于不分层的路由规划算法具有以下优势：1)自适应性：通过簇头节点的周期性轮换以及簇成员的加入或者退出来实现持续的监测和数据采集。2)节能性：由于基站远离网络，节点与基站的通信是能耗最高的操作，对网络进行分簇后，簇头负责将整个簇的数据发送到基站，减少了与基站通信的节点数，大大降低了网络能耗。3)消除数据冗余：WSN中存在着大量的数据冗余，簇头在将本簇的数据发送到基站之前，可进行数据融合和压缩操作以消除冗余，进一步减少与基站的通信量。4)鲁棒性：节点通过一种自组织的方式当选为簇头节点，收集当前簇内信息并在融合后转发给基站，把网络的负载均匀的分布在整个网络中，大大降低了通信过程中的能量消耗，也增强了网络的健壮性。5)局部/全局优化：与其他路由协议相比，分簇算法不仅能够对局部信息进行融合优化。而且还能够对全局信息进行优化。6)可扩展性：分簇算法容易与其他路由算法相结合，从而提高路由算法的性能。

因此，针对输电线路的故障检测，本发明将重心放在研究输电线路传感器网络的路由规划方法上，本发明方法是一种基于能耗均衡的输电线路物联网传感和监测应用的路径规划及故障备份方法(an energy-balancing based hierarchical route planningand fault backup method for IoT sensing and monitoring of transmission lines,EHRPFB)，并具有节点聚类策略、数据转发策略及故障备份策略三个子机制。首先，本发明方法包含了一种基于能量平衡和能耗优化的节点聚类策略。优先选择具有高剩余能量和高流量负载的节点作为簇头节点，然后均匀分布簇头节点。接下来，本发明方法包含了一种基于负载均衡的数据转发策略，以区分服务，并根据服务优先级和延迟要求为不同的服务选择合适的路由。本发明方法还包含了一种基于剩余能量和最优能耗的故障备份策略，该机制分为链路备份和节点备份两部分。链路备份基于本发明设计的数据转发方式，每个节点可以向不用的路径进行数据转发，从而起到链路备份的作用；节点备份则是通过设定权值的方式，当簇头节点发生故障，则由权值最大的簇节点作为备份簇头节点代替故障簇头节点进行数据汇聚和数据转发。总之，本发明方法能够在保证延迟要求的前提下，降低数据传输的总能耗，延长传感器网络的生命周期。

下面详细介绍本发明的实施。

(1)无线传感器网络架构

输电线路中的拓扑结构示意图如图1所示，传感器到汇聚节点通过ZigBee进行数据传输。圆圈包围的节点为簇头节点，簇头节点在接收到多个业务数据包后，在满足业务时延的要求下，按不同的路径进行路由转发。在数据传输给汇聚节点后，汇聚节点可以采用有线专网(OPGW)方式向变电站传输数据。除此之外，汇聚节点也可采用无线专网(LoRa)或无线公网(NB-IoT)这两种长距离无线通信方式向变电站传输数据。

输电线路的传感器拓扑结构为链路型结构，链路型网络结构具有结构特殊，复杂度低的特点。已知每条输电线路均有三相，即A、B、C三相，在每个线路杆塔的三相上分别固定部署传感器节点。我们部署分层网络模型如网络拓扑图，并做出如下假设：1)所有传感器都是静止的，虽然监测业务可能不同，在平时发送数据频率相同，数据大小基本一致，在监测到突发状况时立即发送数据，该数据具有较高优先级。2)所有传感器都知道自己的剩余能量，并根据通信距离调整其传输功率。3)链路是对称的，无线电信号在所有方向上具有相同的能量衰减。4)所有传感器都能够在转发(簇头)模式和感应模式下运行。

(2)网络能量模型

设发送端的能量用于发送数据，接收端的能量用于接收数据，并且假设数据传输时的两节点之间耗散能量采用自由空间模型。因此，当两个距离为d(单位:米)的节点之间发送t bit数据时，发送端所消耗的能量为：

E_consum(t,d)＝t·(E_elec+ε·d^index) (1)

其中，E_elec表示发射电路损耗的能量，d为两节点之间的欧式距离，d₀为距离临界值，ε_fs和ε_mp分别为两种模型中功率放大所需的能量。

节点接收t bit所消耗的能量为：

E_r(t)＝t·E_elec (2)

其中,E_r为接收t bit数据需要的能量。

(3)本发明路由规划方法

3.1)最佳簇头节点数目

设所有节点的初始能量相同，所有节点除了传感业务不同外，其他参数均相同。在此假设N个传感器节点在输电线路的三相线路上均匀分布，区域大小设定为L·W，汇聚节点布置在输电线路的一侧。在每个分簇周期中，每个簇节点发送t比特数据给簇头。根据能耗公式(1)，每个分簇周期的整个网络的总能量消耗等于：

其中，d_ave-sink表示簇头节点到汇聚节点的平均距离，d_ave-ch表示簇节点到相应簇头节点的平均距离，M表示簇头节点的数量。

由于所有节点是均匀分布的，可以得到如下公式：

通过对公式(3)中的簇头节点数量M求导，并使其等于0可得最佳簇头节点数量为：

3.2)每个节点成为簇头节点的最佳轮换周期

本发明设定T_ro为每个簇头节点的轮换周期，即每个节点以概率p当选为簇头节点后，至少要经过T_ro个分簇周期后才能再次以概率p当选为簇头节点，则

假设第i个节点在第r轮分簇周期中成为簇头节点概率如下：

其中，p_ave为理想状态下每个节点成为簇头的概率，E_i(r)为第i个节点第r轮的剩余能量，为所有节点在第r轮的平均剩余能量，表示如下：

其中，R为理想状态下整个网络的生命周期，可用下式表达：

则第r轮中，第i个节点的轮换周期可由下式表示：

其中，E_round由式(3)给出，E_total为整个传感器网络初始总能量，表示如下：

E_init为每个节点的初始剩余能量，初始剩余能量相同。

3.3)选择簇头节点

簇头选择过程主要分为两个阶段，第一阶段产生预簇头节点，第二阶段对第一轮产生的预簇头节点进行调整，最终确定真正的簇头节点。

在第一阶段中，预簇头节点的选择参考了LEACH协议簇头选择公式，并在此基础上多考虑两个因素，一个是传感器节点的剩余能量，一个是该节点与通信范围内其他节点的通信代价，本发明假定通信代价指的是该节点接受通信范围内其他节点的通信能耗。预簇头节点的选举过程如下：节点产生一个随机数，该数处于0～1之间，假如此随机数小于阈值T(n)，则该节点在当前轮中被选为预簇头节点。T(n)的表达式如下：

式中，G为各个节点的最佳轮换周期中未当选簇头的节点集合，不属于该集合的节点T(n)＝0；r为当前轮数。

节点的平均剩余能量公式如下：

假设某节点n在距离范围d_max范围内有k个临节点，每个临节点发送相关业务的数据包含有t比特数据，则接收每个节点数据对应耗能为E_r(t)＝t·E_elec，则对于该中心节点n来说，接收临节点发送t比特数据的总能耗为：

整个网络平均每个节点接收相邻节点信息的能耗为：

本发明认为D_max为簇间路由多跳中簇头节点转发数据包的通信范围，D_max由下列推导得出。

假设簇节点到簇头节点的通信距离d_ch满足：

则：

考虑到输电线路拓扑结构的特殊性，添加因数和使最终d_max满足：

其中，L为场景的长度，Lm为传感器放置的横向间隔，W为场景的宽度，Wm为传感器放置的纵向间隔，M为簇头节点的数量。

d_max为簇节点到簇头节点的最佳通信距离，d_max与D_max关系如下：

在第二阶段，各个预簇头节点向周围广播成为预簇头节点信息，如果两预簇头节点的距离小于设定的距离D_min，则权重较小的预簇头节点降为普通节点，权重较大的升为簇头节点。最小距离D_min由下式确定：

节点的权重ω(n)由下式确定：

式中，α，β和χ分别为节点剩余能量，节点接收邻节点发送相关业务数据包能耗以及距离汇聚节点距离的权重系数。

在簇头节点确定后，簇头节点向周围其他节点发送邀请信息，各个普通节点归属于在通信范围内距离最近的簇头节点。若通信范围内没有簇头节点，则该节点成为未归属节点。

在未归属节点中，重新生成簇头，簇头生成概率如下：

其中，M'为期望簇头数量M减去实际簇头数量的值，N'为未归属节点数量，为未归属节点中的平均剩余能量，E_r-total(n,t)'为未归属节点中接收能耗，为未归属节点中的平均每个节点接收相邻节点信息的能耗。

3.4)数据传输的时延约束

本发明假设整个网络中有多种业务，将第k种业务记为B_K，它的时延要求为则传感器从感知数据到数据包传输至汇聚节点所用时间D_K应满足

假设各个簇头节点对同种业务的数据包进行处理的时延为常数，并假设数据包在各个簇头节点的排队时间相等也为常数，又数据包在信道传输时由于距离相比于速度可以忽略不计，则将D^ave＝D_queue+D_process+D_transmission设置为定值，D_queue,D_process,D_transmission分别为同种业务的排队时延，处理时延和传播时延，因此可以把时延约束转化为跳数的约束：

3.5)基于信息协商传感协议(SPIN)的故障诊断机制

故障诊断机制中使用三种类型的消息探测PRO消息、应答REP消息和数据DATA消息。

第一步：传感器节点首先向它的下一跳临节点发送PRO信息，该信息用于侦测下一跳节点是否正常。

第二步：下一跳节点接收到PRO信息后，回复REP信息给源节点，并转到第三步；若在一段时间内源节点没有接收到REP信息，则认为下一跳节点发生故障，并通过洪泛法告知其他传感器节点该节点故障情况。源节点根据容错机制对数据信息进行重新发送，并转到第一步。

第三步：源节点在接收到REP信息后，发送DATA信息给下一跳节点。

3.6)故障备份机制

本发明的路径规划只涉及簇头节点，所以容错机制只考虑簇头节点的容错。传感器节点之间周期性的进行故障诊断机制以确定链路是否正常。

1)基于多路径规划的链路备份机制

依据本发明的EHRPFB算法，每个簇头节点的路由表都会包含到目的节点的多条路径，当某条路径中某个中间节点死亡，则簇头节点会更新路由表，簇头节点根据新的路由表信息进行数据转发。

如图2所示，簇头节点7的路由表含有两条路径，分别是7-3-5-汇聚节点和7-14-10-18-汇聚节点。当主路径中节点5发生故障时，通过故障诊断机制，节点3感知到节点5发生故障并通过洪泛法告知其他传感器节点该节点发生故障。节点7在得知节点5发生故障后，对路由表进行更新，并将需要转发的数据通过备份路径进行数据转发。

2)基于剩余能量和最优能耗的故障节点备份机制

根据本发明的EHRPFB算法对传感器网络进行分簇，在每个簇内选择权重最大的簇节点作为备份节点。簇头节点将路由表发送给备份簇头节点，并在每次更新路由表后将更新的路由表发送给备份簇头节点。权重公式如下：

其中，w为节点能量所占的比重，E_ave-remain为簇内节点的平均剩余能量，d_ave为簇内节点与其他节点的平均距离，为所有节点平均距离的平均数，表示如下：

λ为簇内节点个数，d_ij为节点i与节点j之间的距离。

当簇头节点死亡，则由备份簇头节点替代原簇头节点，簇内剩余节点将数据传输给备份簇头节点，同时，备份簇头节点接收其他簇头节点转发的数据并进行数据转发。

如图3所示，簇头节点3与节点2,4,9同属一个簇内，且节点9为备份簇头节点。当簇头节点3发生故障后，备份簇头节点通过故障诊断机制发现簇头节点发生故障，则通过洪泛法告知其他传感器节点，节点9代替节点3进行数据的汇聚和转发。在数据传输的过程中，若节点3发生故障，则簇头节点7将会把路由表从7-3-5-汇聚节点更新为7-9-5-汇聚节点。

下面具体说明本发明的实施方法。

本发明提出了一种基于能量均衡和能耗最优的均匀分簇机制。首先，根据衰减功率公式设定节点之间的最佳通信距离d_max。设定簇头间的距离为D_max以内即为邻簇头节点，D_min为簇头间的最小距离限制。其次，对网络进行分簇，依据概率公式(12)随机选取节点作为预簇头节点，其余节点作为普通节点。第三步，预簇头节点之间距离若小于D_min，则权重较大的节点成为簇头节点，权重较小的降为普通节点。第四步，若簇头节点数量比期望数量少，则所有普通节点归属于通信范围内距离自己最近的簇头节点，其余普通节点成为未归属节点；否则若没有未归属节点或簇头节点数量大于等于期望值，则所有普通节点归属于距离自己最近的簇头节点，分簇阶段结束。第五步，未归属节点中依据概率公式(22)重新生成簇头节点，所有未归属节点归属于通信范围内距离自己最近的簇头节点，其余节点仍为未归属节点。转到步骤四。均匀分簇机制的流程如图4。

本发明还提出了一种基于业务优先级的数据转发机制。在每一轮的数据传输阶段，簇头同时接收簇内节点数据及其他簇头转发数据，并按时延优先级对各种业务的数据包进行区分。每个数据包会携带一个时间戳，并对数据包的有效时间用跳数约束进行限定，数据包每转发一次，跳数约束都会减少1。在数据转发过程中，簇头首先对跳数约束为1的数据包直接转发至汇聚节点；在此之后，簇头对时延约束要求最高的业务选择Dijkstra算法下的最短路径的下一跳簇头节点进行数据转发，并对下一跳簇头节点进行标记；接着考虑次优先级业务，在满足时延要求的情况下，优先在未被标记的节点中选择Dijkstra算法下的最短路径并对下一跳簇节点进行标记；如果在未标记的节点中，没有满足时延要求的最短路径，则簇头节点从已标记节点中选择满足时延要求的路径；如果仍没有满足时延要求的路径，则选择最短路径进行数据转发；以此类推，直至所有数据包转发完毕。数据转发机制的流程如图5所示。

在前面的路由规划基础上，本发明还提出了一种基于剩余能量和最优能耗的故障节点备份机制。簇头节点在进行数据转发时，发现选择路径的下一跳簇头节点死亡，则重新规划路径，选择其他路径的簇头节点进行数据转发。在每个周期的节点备份阶段，通过设定权值的方式，每个簇内都会存在一个权值较大备份簇头节点。当簇头节点死亡后，由备份簇头节点代替簇头节点进行数据汇聚和转发。簇头节点的备份机制如如图6所示。

下面结合实例说明：

(1)参数设置

为了证明本发明的有效性，进行了实验评估进行验证。该实验对目标节点的位置、节点间的通信距离、初始能量、传输能耗以及节点数量等的设置。

表1参数设置

参数	取值	参数	取值
				节点位置个数N	90	数据传输能耗E<sub>0</sub>(J)	2×10^(-8)
预计节点个数M	90*0.9	发送能耗(J/(bit×m))	50E<sub>0</sub>
				簇头节点生成概率P	0.1	接收能耗(J/bit)	50E<sub>0</sub>
节点分布区域A(m<sup>2</sup>)	2×3000	汇聚能耗(J/bit)	5E<sub>0</sub>
				普通节点传输半径r(m)	300	控制信息(bit)	32
簇头节点传输半径R(m)	600	数据信息(bit)	4000
				节点初始能量(J)	1500J	较高优先级业务跳数约束(hop)	10
目的节点位置(m)	(3000,1)	较低优先级业务跳数约束(hop)	15

(2)实验结果

本发明主要从算法的三个方面进行实验评估。在分簇阶段实验中，本发明的算法主要与I-LEACH算法在死亡节点分布状况和节点死亡程度进行对比分析，I-LEACH算法在LEACH算法的簇头选择机制上，修改了阈值T(n)的计算公式，使邻居节点越多、剩余能量越大、离汇聚节点越近的节点成为簇头节点的概率越大。在数据转发阶段中，本发明的算法主要与蚁群算法和CRLA算法在路由规划方式、节点死亡程度和节点能耗均衡程度进行对比分析。蚁群算法是一种智能算法，通过搜寻路径留下信息素的方式，使规划路径不断收敛至最优路径。CRLA算法是LEACH-C算法的改进，在簇间路由方面执行一种单跳与多跳相结合的算法，所有数据在距离汇聚节点小于一定阈值后，数据通过单跳传输至汇聚节点。在故障备份阶段，本发明主要是利用节点故障率来评价所提出的故障备份机制。

1)基于能量均衡和能耗最优的均匀分簇策略

如图7～9分别是进行I-LEACH算法和EHRPFB算法的分簇实验结果图，汇聚节点位于最右端，簇头节点用“*”表示，簇节点用“o”表示，线段表示每个簇节点归属的簇头节点,空心节点为生存节点，实心节点为死亡节点。

运行I-LEACH和EHRPFB算法，分别记录两种算法分簇第1、30、50轮的节点死亡情况，结果如图7～9所示：

可以看到，在50轮前的每一轮中，EHRPFB算法的死亡节点数都明显小于I-LEACH算法；到第50轮时，I-LEACH算法的节点大多数已经死亡。此外，可以发现EHRPFB算法的死亡节点的是从链路中心开始向两边扩散的，而I-LEACH算法的死亡节点是从远离汇聚节点的方向开始的，这是因为EHRPFB算法的簇头节点分布较为均匀，位于链路中部的节点由于需要转发的数据包数量较多，所以消耗能量较快；而I-LEACH算法，由于远离汇聚节点的簇头节点数量过少，而且簇头采用单跳传输向汇聚节点发送数据，所以远离汇聚节点的簇头会很快死亡。相较之下，EHRPFB算法的节点死亡速度较I-LEACH算法慢，这从图中可明显看出结果。

为了更加直观地比较两种分簇方法的能量性能和负载均衡性，在进行实验评估时，记录下两种分簇算法每一轮的节点死亡情况，比较两种分簇算法第一个节点、30％节点、50％节点以及80％节点的死亡轮数。为了保证实验结果的可靠性，所有数据都是多次实验结果的均值。将结果制成柱形图如图10所示。

从图中可以看到，两种算法比较，EHRPFB算法的节点死亡时间都晚于I-LEACH算法。由此可见，相较于I-LEACH算法，EHRPFB算法有效地延长了网络寿命，且在网络生存时间内，提高了负载均衡性和网络连通度。

2)基于业务优先级的数据转发机制

本发明对CRLA簇间路由算法、基于蚁群算法的路由算法和基于业务优先级的路由算法分别进行实验评估，汇聚节点位于最右端，每个传感器节点都可以自发地产生数据包和转发数据包，相当于实际情况中每个节点可能会探测到数据。在实验时，这三种路径规划算法的分簇算法都是使用EHRPFB分簇阶段算法。实验结果如11～12所示。

再记录下不同路径规划算法产生的路径以及跳数进行比较，如表2所示。

表2不同路径规划算法产生的路径及跳数比较

图11，图12给出了不同算法下路径选择的特点，表2对图中的路径进行记录。可以看出，在蚁群算法中，在经过一定的迭代次数后，规划路径收敛于一条较短路径。CRLA算法中的所有数据在距离汇聚节点小于一定阈值后，数据通过单跳传输至汇聚节点。这两种簇间路由规划方式的所有业务都为单路径传输。而在基于业务区分算法中，图12(a)为业务优先级比较高的业务，高优先级的业务在选择路径时，直接选择最短路径；图12(b)为业务优先级比较低的业务，按照本发明所提出的路径路径选择算法，低优先级的业务在选择路径时，可以不用选择最短路径而“绕远”。

在实验评估时，记录下三种算法每一轮的节点死亡情况，多次试验均值的结果如图13所示。可以看到，三种算法比较，基于业务区分算法的节点死亡时间都晚于其他两种路由算法，因此有更好的能量效率。这是由于基于业务区分的簇间路由算法对于时延要求较低的数据包采用负载均衡的数据转发路径，节点能耗均衡，所以每轮分簇周期的死亡节点数量得到优化。

此外，记录下三种算法每一轮的所有生存节点剩余能量方差，制成折线图，多次试验均值的结果如图14所示。可以看到，业务区分算法的剩余能量方差总体最小。这是由于CRLA算法的节点能耗十分依赖于传输阈值的选取，在阈值附近的节点由于传输能耗大，节点死亡较快。而另外两种算法中，业务区分算法由于是对不同业务数据的多路径转发，所以节点能耗更为均衡，每轮分簇周期的生存节点数量得到优化，最终达到延长网络生命周期的目的。

3)故障节点备份机制

由于本算法的路由规划方式具有多路径选择这一特殊性，EHRPFB算法本身就具有链路容错性。所以，本部分主要对节点的容错机制进行演示和分析。记录轮分簇后的平均节点有效率，即节点的有效工作时间/每轮分簇后的数据传输时间，如图15所示。

从图15可以看出，有备份机制的节点有效率明显大于无备份机制的节点有效率，这是因为当簇头节点发生故障后，整个簇内的节点都将失效。但本发明所使用的基于可靠性的备份资源共享机制使每个簇内存在备份簇头节点，当簇头节点发生故障，备份簇头节点可代替簇头节点进行数据的汇聚和转发，这极大地减少了发生故障节点对整个网络其他节点有效率的影响。

Claims (8)

1.一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法，其特征是先是对传感器网络进行均匀分簇，然后在进行数据传输时，簇头节点收集邻接簇头节点及簇内节点发送的信息，并进行基于业务区分的路由转发，包括以下部分：1)簇头选择，基于能量和节点通信负载两种因素建立簇头选择机制，使剩余能量高，通信负载大的节点更可能成为簇头节点；2)簇头分布，对选出的簇头进行优化处理，设定相邻簇头节点的最佳距离范围，并以此为依据通过增删簇头节点使簇头节点分布更加均匀；3)数据传输，基于业务优先级进行路由规划，簇头对接收到的不同业务的数据包进行优先级排序，根据数据包的业务优先级规划不同的路径进行数据转发。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法，其特征是簇头选择和簇头分布具体为：设网络中所有节点的初始能量相同，所有节点除了传感业务不同外，其他参数均相同，设N个传感器节点在输电线路的三相线路上均匀分布，区域大小设定为L·W，汇聚节点布置在输电线路的一侧，在每个分簇周期中，每个簇节点发送t比特数据给簇头，根据能耗公式(1)，每个分簇周期的整个网络的总能量消耗等于：

其中，E_elec表示发射电路损耗的能量，d_ave-sink表示簇头节点到汇聚节点的平均距离，d_ave-ch表示簇节点到相应簇头节点的平均距离，ε_fs和ε_mp为对应的功率放大所需的能量，M表示簇头节点的数量，

由于所有节点是均匀分布的，得到如下公式：

通过对公式(3)中的簇头节点数量M求导，并使其等于0，得最佳簇头节点数量为：

确定簇头节点数量后，设定T_ro为每个簇头节点的轮换周期，即每个节点以概率_p当选为簇头节点后，至少要经过T_ro个分簇周期后才能再次以概率_p当选为簇头节点，则

设第i个节点在第r轮分簇周期中成为簇头节点概率如下：

其中，p_ave为理想状态下每个节点成为簇头的概率，E_i(r)为第i个节点第r轮的剩余能量，为所有节点在第r轮的平均剩余能量，表示如下：

其中，R为理想状态下整个网络的生命周期：

则第r轮中，第i个节点的轮换周期由下式表示：

其中，E_round由式(3)给出，E_total为整个传感器网络初始总能量，表示如下：

E_init为每个节点的初始剩余能量，初始剩余能量相同；

簇头选择过程分为两个阶段，第一阶段产生预簇头节点，第二阶段对第一轮产生的预簇头节点进行调整，最终确定真正的簇头节点：

在第一阶段中，预簇头节点的选举过程如下：节点产生一个随机数，该数处于0～1之间，假如此随机数小于阈值T(n)，则该节点在当前轮中被选为预簇头节点，T(n)的表达式如下：

式中，G为各个节点的最佳轮换周期中未当选簇头的节点集合，不属于该集合的节点T(n)＝0；r为当前轮数，

节点的平均剩余能量公式如下：

设某节点n在距离范围d_max范围内有k个临节点，每个临节点发送相关业务的数据包含有t比特数据，则接收每个节点数据对应耗能为E_r(t)＝t·E_elec，则对于该节点n来说，接收临节点发送t比特数据的总能耗为：

整个网络平均每个节点接收相邻节点信息的能耗为：

D_max为簇间路由多跳中簇头节点转发数据包的通信范围，D_max由下列推导得出：

假设簇节点到簇头节点的通信距离d_ch满足：

则：

考虑到输电线路拓扑结构的特殊性，添加因数和使最终d_max满足：

d_max为簇节点到簇头节点的最佳通信距离，d_max与D_max关系如下：

在第二阶段，各个预簇头节点向周围广播成为预簇头节点信息，如果两预簇头节点的距离小于设定的距离D_min，则两预簇头节点中，权重较小的预簇头节点降为普通节点，权重较大的升为簇头节点，最小距离D_min由下式确定：

节点的权重ω(n)由下式确定：

式中，α，β和χ分别为节点剩余能量，节点接收邻节点发送相关业务数据包能耗以及距离汇聚节点距离的权重系数。

3.根据权利要求2所述的一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法，其特征是在簇头节点确定后，簇头节点向周围其他节点发送邀请信息，各个普通节点归属于在通信范围内距离最近的簇头节点，若通信范围内没有簇头节点，则该节点成为未归属节点，在未归属节点中，重新生成簇头，簇头生成概率如下：

其中，M'为期望簇头数量M减去实际簇头数量的值，N'为未归属节点数量，为未归属节点中的平均剩余能量，E_r-total(n,t)'为未归属节点中接收能耗，为未归属节点中的平均每个节点接收相邻节点信息的能耗。

4.根据权利要求1或2所述的一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法，其特征是数据传输基于业务优先级进行路由规划，在每一轮的数据传输阶段，簇头同时接收簇内节点数据及其他簇头转发数据，并按时延优先级对各种业务的数据包进行区分，每个数据包携带一个时间戳，并对数据包的有效时间用跳数约束进行限定，数据包每转发一次，跳数约束减少1；在数据转发过程中，簇头首先对跳数约束为1的数据包直接转发至汇聚节点；在此之后，簇头对时延约束要求最高的业务选择Dijkstra算法下的最短路径的下一跳簇头节点进行数据转发，并对下一跳簇头节点进行标记；接着考虑次优先级业务，在满足时延要求的情况下，优先在未被标记的节点中选择Dijkstra算法下的最短路径并对下一跳簇节点进行标记；如果在未标记的节点中，没有满足时延要求的最短路径，则簇头节点从已标记节点中选择满足时延要求的路径；如果仍没有满足时延要求的路径，则选择最短路径进行数据转发；以此类推，直至所有数据包转发完毕。

5.根据权利要求4所述的一种输电线路无线传感器网络的路由规划方法，其特征所述是时延要求为，设整个网络中有多种业务，将第K种业务记为B_K，它的时延要求为则传感器从感知数据到数据包传输至汇聚节点所用时间D_K应满足

设各个簇头节点对同种业务的数据包进行处理的时延为常数，数据包在各个簇头节点的排队时间相等也为常数，为定值，D_queue，D_process，D_transmission分别为第K种业务的排队时延，处理时延和传播时延，由此把时延约束转化为跳数的约束，第K种业务的跳数约束为：

6.根据权利要求1所述的输电线路无线传感器网络的路由规划方法的故障诊断方法，其特征是基于信息协商传感协议SPIN进行故障诊断，使用三种类型的消息进行：探测PRO消息、应答REP消息和数据DATA消息，

第一步：传感器节点首先向它的下一跳临节点发送PRO信息，该信息用于侦测下一跳节点是否正常；

第二步：下一跳节点接收到PRO信息后，回复REP信息给源节点，并转到第三步；若在一段时间内源节点没有接收到REP信息，则认为下一跳节点发生故障，并通过洪泛法告知其他传感器节点该节点故障情况，源节点根据容错机制对数据信息进行重新发送，并转到第一步；

第三步：源节点在接收到REP信息后，发送DATA信息给下一跳节点。

7.根据权利要求6所述的输电线路无线传感器网络的路由规划方法的故障备份方法，其特征是分为链路备份和故障备份两部分，链路备份基于数据转发方式，每个节点向不用的路径进行数据转发，从而起到链路备份的作用；节点备份根据故障诊断进行：数据传输中基于剩余能量和最优能耗进行故障节点备份，簇头节点在进行数据转发时，如发现选择路径的下一跳簇头节点死亡，则重新规划路径，选择其他路径的簇头节点进行数据转发，其中，在每个周期的节点备份阶段，通过设定权值的方式，在每个簇内选择权重最大的簇节点作为备份节点，当簇头节点死亡后，由备份簇头节点代替簇头节点进行数据汇聚和转发。

8.根据权利要求7所述的输电线路无线传感器网络的路由规划方法的故障备份方法，其特征是传感器网络分簇后，在每个簇内选择权重最大的簇节点作为备份节点，簇头节点将路由表发送给备份簇头节点，并在每次更新路由表后将更新的路由表发送给备份簇头节点，节点的权重公式如下：

其中，w为节点能量所占的比重，E_ave-remain为簇内节点的平均剩余能量，d_ave为簇内节点与其他节点的平均距离，为所有节点平均距离的平均数，表示如下：

λ为簇内节点个数，d_ij为节点i与节点j之间的距离；

当簇头节点死亡，则由备份簇头节点替代原簇头节点，簇内剩余节点将数据传输给备份簇头节点，同时，备份簇头节点接收其他簇头节点转发的数据并进行数据转发。