专利名称：一种基于区域划分的无线体域网路由方法
技术领域：
本发明涉及一种基于区域划分的无线体域网分簇路由方法，主要利用区域划分的方法提高无线体域网节点信息传输效率，属于计算机网络、无线体域网和嵌入式系统的交叉技术领域。
背景技术：
微电子、计算机和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集，数据处理，和无线通信等多种功能，无线传感器网络是由部署在监测区域内的传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式，被列为21世纪改变世界的十大技术之一。无线传感器网络是一个多学科交叉的综合性科学研究领域，能够对其所分布区域内的各种环境和检测对象的信息能够进行实时监控、感知和采集，还可以·将这些信息进行处理，通过无线方式发送通过汇聚节点，在传输给监控主机或者需要使用这些信息的用户。无线传感器网络发展迅速，可广泛应用于公共安全、生态环保、环境检测、应急指挥和生物医学领域。传感器技术在生物医学领域早有应用，但是并没有给人们带来极大的方便。传统的医疗监控，使用有线的传感器，这些传感器把生理数据和其他信息传递到医疗中心，达到监控的效果。但是这种医疗监控系统限制了被监控对象的移动性，对于那些需要长期进行医疗监控和保健的对象而言，也影响了人们的正常生活。无线技术的引入，使得现代医疗保健领域有了快速发展。医学传感器被佩戴在人体上或者植入到人体内，监测得到病人的医学数据，通过低功耗的射频技术把这些医学数据传送到数据汇聚中心，通过汇聚节点进行数据的处理或者传送到医疗监控中心，这种类型的传感器网络就是无线体域网。与通常的传感器网络相比，由于人体介质的引入和医学应用的特殊性，这种网络在规模、可靠性、持续性等方面具有特定的要求，当然节能问题也是无线体域网首要考虑的问题。在采用分簇结构的无线体域网中，簇头要承担数据收集、聚合处理和簇间转发任务，其耗能远大于簇成员节点。为了均衡网络中节点的能耗，分簇无线体域网一般按轮运行，每轮开始时进行簇头轮换，节点以轮流充当簇头的方式将能量开销均匀分布到各个节点，之后进行多次簇内通信和簇间路由；簇内通信一般基于时分多址接人调度，簇头为每个成员节点分配不同的通信时隙。相邻簇之间的通信干扰一般通过两层TDMA调度或多信道来避免；簇头间的数据转发一般利用载波检测多址接人来避免信道争用。在大部分分簇无线体域网中，簇成员以单跳方式与簇头通信，因此簇内通信一般不存在路由问题，而簇头间则大都采用多跳方式进行数据传输，因此簇头路由协议不可或缺。而且，在分簇无线体域网的两层数据收集模式下，一次簇头路由的失败就会导致一个簇一段时间的传感数据全部丢失，因此簇头路由在分簇无线传感网中至关重要。
发明内容
技术问题:分簇无线体域网的特性使其簇头路由设计面临很多问题，当前很多簇头选择方式会造成以下结果:所生成的簇在网络中的分布不够均匀，增大了网络整体能量消耗，减少了网络的生存时间。本发明的目的是提供一种基于区域划分的无线体域网分簇路由方法，在簇头选择、簇间数据传输方式等方面作出了改进，解决上述问题。技术方案:本发明所述基于区域划分的分簇路由方法中，分簇无线体域网是由被佩戴在人体上或者植入到人体内、具有唯一标识的传感器节点自组织构成的分布式网络，整个网络逻辑上被划分为簇，每一个簇包括簇头节点、非簇头节点，汇聚节点可以与所有传感器节点进行无线通信、收发人体信息。基于区域划分的无线体域网路由方法包含以下步骤:
1)无线体域网所有节点启动后，每一个传感器节点将预先定义的簇头当选标识变量、下一轮簇头当选标识变量都置为0，向汇聚节点传送自己的标识、当前能量和位置坐标信息；
2)汇聚节点收到节点信息后将这些信息储存起来，根据预先设定的最优簇头数目，将整个网络区域均匀地划分为η个子区域，给出每一个子区域分配一个标识。3)在完成子区域划分之后，汇聚节点将各个节点按照其在人体的位置划分在其所对应的子区域中，形成相应的分簇，并给节点发送子区域标识。4)汇聚节点分别在各个区域中计算各个区域的质心坐标、各个区域的节点与质心之间的距离。5)汇聚节点在各个区域中选择距离其质心最近的、标识最小的节点作为首轮的簇头，将该节点簇头当选标识变 量置为I ;选择距离质心次近的节点作为下一轮的簇头，将该节点下一轮簇头当选标识变量都置为I。6)汇聚节点向网络中的所有节点广播信息，这个信息包含有各个节点在首轮的归属族、是否是族头节点息、是否是下一轮族头节点息。7)所有节点收到来自于汇聚节点的信息后将其储存起来，依照该信息检查自己是否被设置为首轮簇头，如果是簇头，就为自己簇内成员分配时隙，生成时隙分配表，然后将时隙分配表信息发送给簇内成员节点，接着进入步骤9)。8)网络收到汇聚节点广播发送的下一轮簇头选择消息，当下一轮周期期限到来时，网络开始下一轮簇头选择，具体操作如下:
81)各个节点首先检查自己的状态，若节点在本轮任务角色是簇头，就向无线体域网中广播自己成为簇头的消息，等待簇内成员节点的加入；若节点是非簇头节点，就等待各个簇头发送广播信息，收到了簇头广播信息后，在所有簇头集合中选择距离自己最近、节点标识最小的簇头加入相应分簇，向该簇头发送加入包含节点当前剩余能量、节点标识的请求信息，等待簇头发送时隙分配表信息。82)每个簇头节点收到节点发送的请求加入信息后，记录各个节点的信息。然后根据收到的节点在人体所在位置及剩余能量信息计算该簇成员节点的平均能量值，将剩余能量大于或者等于平均能量值的节点组成一个候选簇头节点集合，从该候选簇头节点集中挑选距离当前簇头节点最近、标识最小的节点作为下一轮正式簇头，并将时隙分配信息、下一轮簇头当选信息发送给簇内成员节点。
83)每个非簇头节点收到簇头发来的时隙分配信息和下一轮簇头当选信息后，将自己的下一轮簇头当选标识变量设为I或者0，进入步骤9)。9)每个非簇头节点依照时隙分配表在自己的时隙内持续收集所监测的信息并按需向簇头发送感知到的数据，不在自己的时隙内时关闭通讯模块。10)每个簇头节点收集所有簇内节点的数据，并对这些数据进行数据融合，另外还接收其它簇头节点转发来的数据；
11)每个簇头节点将簇内融合后的数据或其他簇头转发来的数据发送给汇聚节点，它采用的操作如下:
ill)广播自己的标识、当前能耗、簇头身份等信息，接收并记录相邻簇头节点发送来的对应信息。112)在自己的邻居簇头节点集合中逐一选择其它各个簇头节点，并且计算经过该簇头节点向汇聚节点传输数据的通信代价。113)在通信代价小于直接将数据传输给汇聚节点时通信代价的节点中，选择能量值最大、标识最小的簇头节点作为中继节点，将此次数据转发该节点；如果没有符合条件的簇头节点作为中继节点，则直接将数据传输给汇聚节点。114)通过在其他簇头节点中选择中继节点，采用多跳的数据传送方式将数据传送给汇聚节点。115)在发送下一次数据，通信交互获得当前中继节点的能量，如果发现该节点能量较低而不能够承担转 发任务，则转到步骤113)。12)网络一轮周期没有结束，进入步骤9);网络一轮周期已结束，进入步骤13)。13)汇聚节点根据任务完成情况决定是否进行下一轮簇头选择，如果任务已完成或节点能量损耗导致网络不能正常运行，则广播网络运行结束信息，否则广播下一轮簇头选择消息，进入步骤8)。有益效果:本发明提出的基于区域划分的路由方法适用于无线体域网，具有如下的有益效果:
(I)本发明方法充分利用汇聚节点能量不受限制的特点，在首轮选簇之前将网络监测区域划分成多个簇类区域，然后根据节点在人体所在位置信息和能量信息在每个簇内选择合适的节点作为下一轮的簇头，节点平均能量效率明显改善。(2)综合考虑能量和簇间路由代价等因素选择合适的节点作为簇头的下一跳节点，在簇头之间以多跳的方式传输数据到汇聚节点，网络生存周期明显改善。
图1为分簇无线体域网络结构示意 图2为基于区域划分的无线体域网路由方法流程示意图。
具体实施例方式一.体系结构
在具体实施中，本发明所述的无线体域网中的所有节点随机分布在一个正方性区域内，如图1所示，并且该网络满足以下条件:(I)所有节点按照人体需求分布在无线体域网中，并且都是静止不动的。(2)网络中的每个节点都知道自己的位置坐标，并且能够获知自己当前能量。(3)除了汇聚节点以外的所有节点是同质同构的，并且初始能量是相等的，除汇聚节点的能量是不受限制的之外，其它所有节点能量是有限的。(4)节点的功率足够大，可以与网络中的其它节点直接进行通信。(5)节点能够根据接收信号强度来测算与发送节点之间的距离。(6)节点功率是可控的，能够 根据与接收节点的距离远近来调整发射功率。(7)节点持续的监测周围区域，并在自己的时间发送采集数据给所属簇头。(8)彼此距离很近节点采集到的数据具有数据相关性，所以相邻节点的数据具有很大的冗余性，冗余数据对于观察者来说是无用的。二.方法流程
下面给出本发明具体实施的更详细描述:
1.簇头选择
步骤一:无线体域网中的每一个在身体上的节点向汇聚节点i传送自己的信息，这个信息包含有节点的标识、节点的能量以及节点的位置坐标。步骤二:汇聚节点i收到节点信息后将这些信息储存起来，然后根据预选定的最优簇头数目，运行区域划分算法将整个无线体域网区域按照各个节点在人体所在位置划分η个子域。步骤三:在完成区域划分之后，汇聚节点i将各个节点按照其在人体的位置划分在其所对应的区域中，并标上区域标识。步骤四:汇聚节点i分别在各个区域中计算各个区域的质心坐标，然后分别计算各个区域的节点(j，k，l…)与质心之间的距离。步骤五:汇聚节点i在各个人体区域中选择距离其质心最近的节点作为首轮的簇头，同时选择距离质心次近的节点作为下一轮的簇头。步骤六:汇聚节点i向无线体域网中的所有节点广播信息，这个信息包含有各个节点在首轮的归属簇、节点的状态(成员节点或者簇头节点)和成为下一轮簇头的节点标识。步骤七:节点j收到来自于汇聚节点的信息后将其储存起来，依照该信息检查自己是否被设置为首轮簇头，如果是簇头，就为自己簇内成员分配时隙，生成时隙分配表，然后将时隙分配表发送给簇内成员节点。步骤八:簇头节点CH向网络中广播自己的信息，依照收到的相邻簇头节点CHl信息建立路由表，接着进入稳定的数据传输阶段。下一轮簇头选择
步骤一:各个节点收到汇聚节点发送来的下一轮簇头选择期限的广播信息后，当下一轮周期期限到来时，它们首先检查自己的状态，若是节点a在本轮任务角色是簇头，就向无线体域网中广播自己成为簇头的消息,等待簇内成员节点的加入。步骤二:如果节点b是非簇头节点，就等待各个簇头发送广播信息，收到了簇头广播信息，就在所有簇头集合中选择距离自己最近的簇头作为想加入的簇头，然后向该簇头发送加入请求信息。这个信息包含节点当前的剩余能量和标识，然后等待簇头发送时隙分配信息。步骤三:簇头a收到节点发送的请求加入信息后，记录各个节点的信息。然后根据收到的节点在人体所在位置及剩余能量信息计算该簇成员节点的平均能量值，将剩余能量大于或者等于平均能量值的节点组成一个候选簇头节点集合。从该候选簇头节点集中挑选距离当前簇头节点最近的节点作为下一轮正式簇头。在发送时隙分配表时顺带将该信息发送给簇内成员节点。步骤四:成员节点j收到簇头发来的时隙分配表和下一轮选簇信息后，将自己的下一轮簇头标志设为I或者0，然后依照时隙分配表在自己的时隙里按需向簇头发送感知的数据。路由建立
步骤一:每个簇头节点CH(1，2，3..)在汇聚节点进行数据发送的时候，通过选择中继节点采用多跳的数据传送方式将数据传送给汇聚节点。步骤二:在具体实施中，在选取中继节点时，若节点的能量较低，就不再充当中继节点，通过轮换选择下一个中继节点。步骤三:在具体实施中，假定所述节点通信使用自由空间模型，节点之间通信代价与节点之间的距离的平方成正比关系，节点b想向汇聚节点i传输数据，它首先在自己的邻居簇头节点集合中逐一选择各个簇头节点，并且计算经过该节点向汇聚节点传输数据的通信代价。将经过中继节点的传输路径代价小于直接传输代价的节点组成候选节点集。然后在候选节点集合中依次比较每个节点的能量值和本节点能量值的大小，将大于或等于本节点能量值的节点作为正式中继簇头。如果有多个能量大的簇头都满足条件，则选择能量值最大的作为中继簇 头。如果候选簇头集合为空或者侯选簇头节点集合中没有符合条件的簇头，则直接将数据传输给汇聚节点。数据传输
在具体实施中，每一轮簇头确定好后，簇头根据簇内成员个数为每一个簇内成员分配时隙。然后，簇头将分配好的时隙表发送给簇内成员，簇头广播自己的信息建立簇间路由路径。在簇建立阶段完成后，簇头和簇头之间的路径就建立起来了，簇内成员节点持续收集周围环境信息，然后在分配给给自己的时隙里将采集的数据以一跳的方式传送给该成员节点所在簇的簇头。节点不在自己的传输时间里就关闭通讯模块以减少能量消耗。簇头在收到所有簇内节点的数据后，将收集到的数据进行数据融合，然后将融合后的数据传输给汇聚节点。在一轮的时间段内，稳定的数据传输阶段要长于簇建立阶段。每一次簇内收集数据为一帧，每轮传输阶段进行多帧数据收集，这样就会减少簇建立的次数，将更多能量用于数据传输上面，提高能量利用率。在具体实施中，数据传输运行一段时间后，汇聚节点根据任务完成情况决定是否进行下一轮簇头选择，如果任务已完成或节点能量损耗导致网络不能正常运行，则广播网络结束信息，否则广播进行下一轮簇头选择的期限。
权利要求
1.一种基于区域划分的无线体域网路由方法，其特征在于该方法所包含的步骤为: 1)无线体域网所有节点启动后，每一个传感器节点将预先定义的簇头当选标识变量、下一轮簇头当选标识变量都置为O，向汇聚节点传送自己的标识、当前能量和位置坐标信息； 2)汇聚节点收到节点信息后将这些信息储存起来，根据预先设定的最优簇头数目，将整个网络区域均匀地划分为η个子区域，给出每一个子区域分配一个标识； 3)在完成子区域划分之后，汇聚节点将各个节点按照其在人体的位置划分在其所对应的子区域中，形成相应的分簇，并给节点发送子区域标识； 4)汇聚节点分别在各个区域中计算各个区域的质心坐标、各个区域的节点与质心之间的距离； 5)汇聚节点在各个区域中选择距离其质心最近的、标识最小的节点作为首轮的簇头，将该节点簇头当选标识变量置为I ;选择距离质心次近的节点作为下一轮的簇头，将该节点下一轮簇头当选标识变量都置为I ; 6)汇聚节点向网络中的所有节点广播信息，这个信息包含有各个节点在首轮的归属族、是否是族头节点息、是否是下一轮族头节点息； 7)所有节点收到来自于汇聚节点的信息后将其储存起来，依照该信息检查自己是否被设置为首轮簇头，如果是簇头，就为自己簇内成员分配时隙，生成时隙分配表，然后将时隙分配表信息发送给簇内成员节点，接着进入步骤9)； 8)网络收到汇聚节点广播发送的下一轮簇头选择消息，当下一轮周期期限到来时，网络开始下一轮簇头选择，进入步骤9)； 9)每个非簇头节点依照 时隙分配表在自己的时隙内持续收集所监测的信息并按需向簇头发送感知到的数据，不在自己的时隙内时关闭通讯模块； 10)每个簇头节点收集所有簇内节点的数据，并对这些数据进行数据融合，另外还接收其它簇头节点转发来的数据； 11)每个簇头节点将簇内融合后的数据或其他簇头转发来的数据发送给汇聚节点，它采用的操作如下: 111)广播自己的标识、当前能耗、簇头身份等信息，接收并记录相邻簇头节点发送来的对应信息； 112)在自己的邻居簇头节点集合中逐一选择其它各个簇头节点，并且计算经过该簇头节点向汇聚节点传输数据的通信代价； 113)在通信代价小于直接将数据传输给汇聚节点时通信代价的节点中，选择能量值最大、标识最小的簇头节点作为中继节点，将此次数据转发该节点；如果没有符合条件的簇头节点作为中继节点，则直接将数据传输给汇聚节点； 114)通过在其他簇头节点中选择中继节点，采用多跳的数据传送方式将数据传送给汇聚节点； 115)在发送下一次数据，通信交互获得当前中继节点的能量，如果发现该节点能量较低而不能够承担转发任务，则转到步骤113)； 12)网络一轮周期没有结束，进入步骤9);网络一轮周期已结束，进入步骤13)； 13)汇聚节点根据任务完成情况决定是否进行下一轮簇头选择，如果任务已完成或节点能量损耗导致网络不能正常运行，则广播网络运行结束信息，否则广播下一轮簇头选择消息，进入步骤8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于区域划分的无线体域网路由方法，其特征在于步骤8)的具体操作如下: 81)各个节点首先检查自己的状态，若节点在本轮任务角色是簇头，就向无线体域网中广播自己成为簇头的消息，等待簇内成员节点的加入；若节点是非簇头节点，就等待各个簇头发送广播信息，收到了簇头广播信息后，在所有簇头集合中选择距离自己最近、节点标识最小的簇头加入相应分簇，向该簇头发送加入包含节点当前剩余能量、节点标识的请求信息，等待簇头发送时隙分配表信息； 82)每个簇头节点收到节点发送 的请求加入信息后，记录各个节点的信息； 然后根据收到的节点在人体所在位置及剩余能量信息计算该簇成员节点的平均能量值，将剩余能量大于或者等于平均能量值的节点组成一个候选簇头节点集合，从该候选簇头节点集中挑选距离当前簇头节点最近、标识最小的节点作为下一轮正式簇头，并将时隙分配信息、下一轮簇头当选信息发送给簇内成员节点； 83)每个非簇头节点收到簇头发来的时隙分配信息和下一轮簇头当选信息后，将自己的下一轮簇头当选标识变量设为I或者O，进入步骤9)。
全文摘要
本发明给出一种基于区域划分的无线体域网路由方法，该方法适用于不同无线体域网应用场景，利用无线体域网汇聚节点能量充足的特点，将网络监测区域划分成多个子区域形成分簇，根据节点在人体所在位置信息和能量信息在每个簇内选择合适的节点作为当前论次的簇头和下一轮的簇头，同时综合考虑能量和通信代价等因素选择合适的节点作为簇头的下一跳节点，在簇头之间以多跳的方式将数据发送到汇聚节点。本发明能够有效地提高无线体域网节点信息传输效率和网络生存周期。
文档编号H04L12/715GK103220216SQ201310139709
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者陈志 , 宝磊, 岳文静, 黄洵松, 毛博, 曹壹, 迟文东 申请人:南京邮电大学