无线传感网络的多跳分簇路由算法
【专利摘要】本发明为无线传感网络提供了一种位置已知路由算法——多跳分簇路由算法(GEEMHCR)。本算法充分考虑了每个节点的剩余能量、当选簇头的次数、节点存活量、网络的整体能耗以及基站接收的数据量所提出来的。步骤为：簇的划分；簇头的选取；路由的建立；路由的维护。优点：GEEMHCR算法克服了网络中簇头的位置分布不均匀、各簇中节点数目相差较大、簇头选举没有考虑节点的剩余能量以及簇头节点与汇聚节点直接通信等方面的缺陷，并在能量有效性、网络的整体耗能且能量分布均衡、网络的生命周期长方面有所提高。该算法主要用于无线传感网络路由控制领域。
【专利说明】无线传感网络的多跳分簇路由算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是无线传感网络中节点位置信息已知的一种分簇路由算法。属于无线传感网络路由算法【技术领域】。
【背景技术】
[0002]路由算法是无线传感器网络(WSN)中关键技术之一。WSN中的路由算法具有普通网络路由算法所确定数据传输路径的特点，也具有在数据路径选择方法上体现节省能量的特点。因此，普通网络路由算法不能直接嫁接到WSN网络中，需要结合WSN自身特点，研究相应的路由算法。路由算法直接关系到WSN网络的稳健性及生存周期。
[0003]目前，对WSN网络中的路由算法研究主要从节点固定和节点移动两个方面展开，节点固定的路由算法研究相对较多。从节点结构角度，可将节点固定的路由算法分为分簇路由算法和基于树结构的路由算法。分簇路由算法是选择一部分节点作为簇头节点，将普通节点的数据依照不同的分簇规则传送到簇头节点，簇头节点经过处理后送给汇聚节点，典型算法为LEACH。分簇路由算法存在簇头选择的随机性、重复的簇重构需消耗大量的网络能量、确定约束条件困难、数据传输丢失及数据传输延时等不足。从节点位置是否已知角度，节点固定的路由算法又分为位置已知路由算法和位置未知路由算法。位置已知路由算法是根据节点的位置信息来计算节点间距离和估计能量的消耗，从而构建合适的传输路径，典型算法为GAF算法。位置已知路由存在众多节点在同一时间寻找下一跳中继节点时出现数据包间碰撞问题，以及所采用平面结构，不利于网络的管理等不足。
【发明内容】
[0004]本发明主要针对上述缺陷，综合考虑无线网监测区域的大小和网络中节点的个数，提出无线传感网络的多跳分簇路由算法(GEEMHCR)。GEEMHCR算法首先将网络划分成若干个正方形区域，然后进行簇头的选择；在簇头选择过程中，考虑每个节点的剩余能量；在数据传输过程中，簇头节点采用多跳的方式与基站进行通信。GEEMHCR算法实施由初始化阶段和稳定阶段组成。初始化阶段主要完成分簇、簇头的选取和建立路由工作；稳定阶段主要是进行路由的维护。GEEMHCR算法流程如图1所示，具体算法如下:
[0005]1.簇的划分:初始化阶段首先进行簇的划分如图2所示。首先在监测区域内建立直角坐标系，然后对监测区域进行分簇。由无线电模型可知，传感器节点发送k bit数据的能量消SEsmd (k, d)如公式⑴所示:
[0006]Esend(k, d) =Es elec (k) +Eamp (k, d) =kEelec+k ε ampd4 (I)
[0007]其中，Eele。是发送电路和接收电路处理Ibit数据消耗的能量，d是信号传输距离，k是要发送的数据bit, ε amp是信号放大的放大倍数，ε _= ε fs = 0.0013pJ/bit/m4。
[0008]传感器节点接收k bit数据的能量消耗E_eive (k)如公式⑵所示:
[0009]Ereceive (k) =Erelec (k) =kEekec (2)
[0010]在LXL的监测区域内，由公式(I)、公式(2)和实际监测环境推导得出最优分簇数目HVt的计算方法如公式(3)所示。
【权利要求】
1.一种无线传感网络的多跳分簇路由算法(GEEMHCR)，其特征在于:采用LEACH算法架构，融合节点的位置信息，通过初始化和稳定两个阶段实施；该算法克服了网络中簇头的位置分布不均匀、各簇中节点数目相差较大、簇头选举没有考虑节点的剩余能量以及簇头节点与汇聚节点直接通信等方面的缺陷，并在能量有效性、网络的整体耗能且能量分布均衡、网络的生命周期长方面有所提高。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络的多跳分簇路由算法，其特征在于:初始化阶段主要完成分簇、簇头的选取和建立路由工作，在簇头选择过程中，充分考虑每个节点的剩余能量以及当选簇头的次数，避免能量消耗不均衡问题。具体步骤如下: (1)簇的划分:首先在监测区域内建立直角坐标系，将网络划分成若干个正方形区域，根据检测区域大小、节点数目和位置来分簇。 (2)簇头的选取:当分簇完成后，所有传感器节点都处于侦听状态；每个簇内节点开始竞选簇头，如果竞选成功，节点进入活动状态；如果节点竞选失败，则进入睡眠状态；处于活动状态的节点，如果是簇头节点，在稳定运行阶段的一轮结束后进入侦听状态，重新参与下一轮的簇头选取；如果是处于睡眠状态的节点在自己时间片内成为活动状态的节点，那么在时间片结束后重新转到睡眠状态；处于睡眠状态的节点在自己时间片内进入到活动状态与簇头进行通信，在稳定运行阶段的一轮结束后进入到侦听状态，参与下一轮的簇头选取。 (3)路由的建立:采用最短路径的多跳路由方法来构建簇头节点到基站的多跳路径，即:从基站开始采用限制性泛洪的方式广播节点的状态信息，簇头节点收到状态信息后广播自己的状态信息，如此反复执行，直至到达整个网络，从而建立起每一个簇头节点都到达基站的最小路径；该算法中保证每个簇头节点只与距离自己最近的邻居簇头节点进行通信，且经过的多跳路径是最短的。
3.根据权利要求1所述的无线传感网络的多跳分簇路由算法，其特征在于:在稳定阶段，当簇头节点发生变化时的路由维护算法，具体分为以下几个步骤: Stepl:原来的簇头节点将它的路由表发送给新的簇头节点； Step2:新的簇头节点向它的邻居簇头节点广播它的状态信息； Step3:邻居簇头节点接收到簇头节点的状态信息以后，根据状态信息中簇的编号在自己的路由表中进行搜索，根据搜索结果进行以下操作: (1)如果有与它在同一簇的节点，则删除路由表中相应的记录，并把接收到节点的状态信息保存到路由表中； (2)如果没有与它在同一簇的节点的状态信息，则比较接收到节点的跳数与其当前跳数的大小，如果接收到节点的跳数小于该节点的当前跳数，那么将该节点的状态信息保存到路由表中，否则丢弃接收到节点的状态信息。
【文档编号】H04W84/18GK103533595SQ201310521380
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】林志贵, 陈珍星, 刘英平, 孟德军, 张彩霞 申请人:天津工业大学