基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法
【专利说明】基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机应用与物联网结合的技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 无线传感网络是由大量的微传感器节点组成的，它们被部署在指定的区域，通过 单跳或多跳的方式自组织的形成一个无线通信网络系统，运种系统被广泛应用于各种物理 环境中监测数据，尤其是恶劣的或特殊的人们无法接近的环境中正常工作。
[0003] 那些微传感器节点容易部署，但也由于能量有限的缺点，严重制衡了无线传感网 络的应用与发展。因此在许多无线传感网络系统的研究中，如何延长网络的生存时间，均衡 网络能量消耗称为重要的目标，许多学者对更加节能的网络拓扑构造、路由算法及协议设 计进行了大量研究，多种机制被应用于无线传感网络的节能策略中。其中，采用基于分簇的 层次型路由算法相对于平面路由算法有更好的适应性和节能性。分簇算法是将传感器网络 的节点划分为不同的簇，每个簇中有一个簇首节点，簇中的其余成员节点将信息发送给簇 首节点并由簇首节点进行数据的融合和转发，如图1所示。其中，簇首的选择是分簇算法的 关键，如何通过簇首的选择来形成高质量的簇从而降低节点能耗的研究有着重要的意义。
[0004] 在基于分簇的层次型路由协议中，比较典型的分簇路由协议有LEACH，LEACH-C， 肥邸等，LEACH协议中，根据设定的概率值选择簇头，并且簇头实行周期轮换，形成相同大 小的簇，传递信息时，簇头节点将信息直接单跳发送到基站，能耗性和均衡性方便都较差； 肥邸是一种使用固定簇半径的分簇协议，协议通过两个主次参数来选举最终簇头，并实行 多跳通信的机制。
[0005] 在运些典型层次路由算法中，由于区域内的所有节点都在向基站方向发送信息， 所W在假设区域内监测事件发生概率相同的情况下，所有节点的信息总是会通过距离基站 较近的节点发送给基站，运样就会使得基站附近的节点能量消耗要比远离基站的节点快， 从而造成能量消耗严重不均衡，在基站附近，节点形成能量空桐，即WSN的网络"热点"问 题，当运部分节点能量耗尽后，距离远的节点不得不加大通信功率与基站联系，从而造成更 大的能量消耗，加速网络的死亡。
[0006] 网络模型：网络具有运样的特征：所需要监测的为一个AreaMXAreaM的方形区 域，所有节点随机均匀分布在该区域内，该网络只有一个基站，且在监测距离外一定距离， 基站具有足够的能量。
[0007] 区域内传感器节点数量为n，每个节点的唯一标识为Ni。
[000引假设传感器节点具有W下特征：
[0009] (1)区域中的节点都是静止不动的；
[0010] 似节点都有唯一的标识ID;
[0011] 做每个节点具有相同的初始能量和通信能力及计算能力；
[0012] (4)节点可W根据通信距离调整传输功率；
[0013] (5)网络环境通信良好，传感器节点可W根据接收能量判断传输距离；
[0014] (6)节点不具备位置感知能力，不具有GI^等位置感知装置；
[001引则网络中所有节点的集合为V，V=化11《i《n}。
[0016] 能量消耗模型：通常一个典型的无线传感器节点由4个模块组成，传感单元，处理 单元，通信单元及供应电池，其中，消耗能量的前=个模块能耗各不相同，它们在节点中的 能耗对比如图2所示。
[0017] 从图中可W看出，占节点总体能耗比例最大的是通信单元的无线收发。而对于无 线收发中的4个状态：发送，接收，监听和睡眠，发送信息所消耗的能量最多，接收和监听占 其次，睡眠状态下耗能最小，而处理单元和传感单元所消耗的能量远远小于通信单元，相对 于节点的总体能耗来说，可W忽略不计，所W在大部分能量消耗模型中，都只是考虑通信单 元的无线收发能量消耗。
[0018] 数据融合模型：数据融合技术是将网络中若干节点的多个信息或数据进行处理， 整合出更有效，更符合需求的信息的过程，核屯、主要是对网内冗余数据的处理，即簇头节点 或中继节点在接收并转发数据时，首先对接收的数据进行整合处理，去除冗余信息，在满足 应用需求的前提下，最小化数据传输量，从而节省节点发送信息的能耗。
[0019] 采用较好的数据融合技术减少传输数据量，是节能分簇路由的重要基本思想之 一，在实际网络应用中，通过将数据融合技术与高效路由协议相结合，已存在许多相关数据 融合技术，但因为簇间数据的差异性较大，在本发明仿真中，将不考虑簇间的数据融合，中 继簇头只负责数据转发，而对簇内成员节点的数据融合，为了便于仿真，假设为：每个成员 节点向簇头发送kbits的数据，无论簇内节点数目为多少，均压缩为kbits数据，簇内数 据融合能耗设定为Ech.d=5nJ/bit。 【
【发明内容】
】
[0020] 本发明的目的是为了使网络能耗更均衡，本发明算法将网络进行区域划分，并结 合不同的竞争半径机制，实现网络中簇的不均匀分布，W更好的解决网络"热点"问题。
[0021] 本发明技术方案
[0022] 基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法，该方法主要包括如下关键步骤：
[0023] 第1、网络区域划分：在MXM的监测区域中，基站位于监测区域的外部，距离基站 较近区域的节点，作为整个监测区域的中继节点与基站通信，运部分节点所在的区域定义 为临域，运些节点称为临域节点，其他节点皆为非邻域节点；我们采用如下方式选取临域的 范围，W基站为圆屯、，向外画环形，WR为第一层的半径，环与环之间的距离为r，则：
[002引其中r为临域环形的半径差，n为区域中节点的总个数，M为方形监测区域的边长 长度，R为基站与区域边界的最近距离。
[0026] 如果节点到基站的距离dteBS(Ni)满足：dteBs(Ni)《R甘，1《i《n，则此节点标记 自己为临域节点，否则，则为非邻域普通节点，Ni为节点的唯一标识ID。
[0027] 第2、簇的建立：分簇阶段，临域节点进入休眠，并且在每轮簇的重构阶段都进入 休眠状态，非临域节点执行分簇。
[0028] 第2.1、非临域节点在确定自己的区域后，每个节点计算自己的竞争半径，计算公 式为
[002引其中，ddut为区域远边界到基站的距离，AreaM为监测区域的边长，dt"es(Ni)为节点Ni到基站的距离，R。为节点的最大竞争半径，C为用来控制取值范围的参数。
[0030] 第2. 2、非临域节点在竞争半径内W泛洪的方式广播自己的ID信息，非临域内所 有节点根据收到的信息统计自己的节点度Ni.D=(NiINiGVd(Ni,Nj)《Ni(R)}，
[00引]其中Vusuai为所有非临域节点的集合，d(N1，Nj)为节点Ni与Ni之间的距离。
[0032] 第2. 3、非临域节点根据公式
计 算出自己的定时时间，其中，a+e+丫 = 1，为各参数的权重调节系数，5为一个调节系数，T?为设定的最大竞争时间，E。为节点的初始能量，Ek(Ni)为节点当前的剩余能量，Ni.D为 节点的节点度，Ni(R)为节点的竞争半径。
[0033] 第2. 4、为了节省成簇时各种广播交换信息的能量消耗，只在初始准备阶段，所有 节点广播一次消息，在W后的簇重构周期中，都采用定时机制，每个节点根据第2. 3步的公 式计算出自己的定时时间，若在定时时间内没有收到其他节点的广播消息，则确定自己为 簇头，确定的簇头节点在自己的竞争半径内广播成为簇头的消息；若在定时时间内收到其 他节点的广播消息，就自动