路由负载分流的非均匀分簇传感器网络能量空洞避免方法与流程

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及路由负载分流的非均匀分簇传感器网络能量空洞避免方法。

背景技术：

近年来，随着无线通信技术与微电子技术的持续发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)得到了越来越广泛的应用。传感器网络中的节点通常由能量有限的电池供电，这些节点在部署后难以更换电池，所以无线传感器网络有着严重的能量约束问题。因此，如何高效的利用节点能量，延长网络寿命成为了传感器网络协议的首要设计目标。

在采用多跳数据传输的无线传感器网络中，位于sink附近的节点要转发更多的来自其他节点的数据，因而能量消耗速度更快，这些节点的能量也会早于其他节点消耗殆尽。这样，其他节点产生的数据将很难再传输至sink，此时网络寿命结束，而网络中其他节点内大量的剩余能量被浪费，这种现象被称为“能量空洞”。有实验结果表明当网络中出现能量空洞时，网络中还剩余高达90％的能量被浪费。

能量空洞现象让研究者们认识到，无线传感器网络的寿命取决于最早死亡的节点，这也直接影响到网络内节点的能量利用率与网络监控质量。因此，如何均衡网络内各节点的能耗，避免能量空洞的出现并尽量延长网络的寿命，成为了许多研究者关注的热点。

技术实现要素：

本发明提出了路由负载分流的非均匀分簇传感器网络能量空洞避免方法，此方法采用非均匀分簇策略，引入路由负载分流的思想，有效均衡了簇头节点能耗，避免了能量空洞现象的出现。

为了实现以上目的，本发明提出的技术方案非均匀分簇无线传感器网络中的负载均衡分流路由方法，包括网络初始化、簇头选择和路由负载分流三个阶段，具体步骤如下：

1)网络初始化与网络非均匀分层。首先进行网络部署，网络部署完成后对网络进行非均匀分层，同时簇的范围局限在层内。由于靠近sink的区域有着更大的能耗负载，因而通过计算网络各区域的能耗情况，让能耗更大的区域簇规模更小。

网络内各个簇的簇头节点在一个簇周期的能耗由以下两部分组成：簇头节点在一个簇周期完成簇内数据处理所消耗的能量簇头节点在一个簇周期完成簇间数据处理所消耗的能量在完成各簇的簇头节点在一个簇周期的能耗计算后，计算每一层网络其所有簇头节点的总能耗。

为了避免能量空洞现象的出现，应满足网络各层内的所有簇头节点之和相等，因此根据此条件得出网络各层的层高。

2)簇头选择。各层内按照节点的剩余能量选择一定数量的簇头，剩余能量更大的节点有更大的成为簇头的可能性。

3)路由负载分流路由。网络非均匀分层，只是保证了各层内的簇头节点的能耗之和相等。由于网络各层规模不等且簇局限在层内，因而各层内的簇头节点的数量也必然不等。在簇头数量较多的内层网络中，各簇头的负载必然不均衡，会出现某些簇头承担了较多的数据转发任务而某些簇头没有承担转发任务的情况。因此，为平衡网络内各簇簇头的路由负载，本文提出非均匀分簇无线传感器网络中的负载均衡分流路由方法。即一个簇的数据发送到下一跳簇头时，不再只发送给一个簇头，而是将数据分流到多个簇头。数据进行发送时，考察下一层网络中数据传输范围内所有簇头的剩余能量，让有更多剩余能量的簇头承担更大的数据转发任务。由于数据发送节点的能耗与数据传输距离相关，因此考察数据待传输簇头与数据传输范围内的下一层网络的所有簇头的相对距离，让相对距离更小的下一层簇头承担更大的数据转发任务，从而节省数据待传输簇头的能耗。

本发明的有益效果主要有以下几点：1)本发明利用分簇进行数据收集与传输，但与传统的非均匀分簇不同，本发明在网络初始阶段对网络进行分层，每层网络层高不等，簇的范围限制在层内；2)本发明给出了网络各层内的簇头节点完成一次簇内、簇间数据处理所消耗能量的计算方法，并让网络各层的层高取值满足各层之间的所有簇头的能耗均衡；3)由于网络层高的不等，必然内层网络中的簇头节点数目更多。为有效均衡层内各簇头的负载，本发明引入路由负载分流的数据传输方法，让一个簇的数据发送到下一跳簇头时，不再只发送给一个簇头，而是将数据分流到多个簇头。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为本发明的网络模型示意图。

图3为本发明的路由负载分流示意图。

图4为本发明的网络分层性能图。

图5为本发明路由负载分流对网络性能的影响。

图6为本发明与其他三类方法的性能对比图。

图7为本发明的总体实施方案流程图

具体实施方式

图2为网络模型示意图，在150m×250m的矩形区域内随机部署400个传感器节点，sink位于(250，75)位置处，具体模型为：

1)唯一的sink节点位于网络边缘，sink以基站形式部署；

2)网络中所有的传感器节点满足随机分布，节点发射功率可调，且在部署后静止不动；

3)网络初始阶段，对网络分层，各层层高不等；

4)传感器节点被组织成簇的形式，各簇的范围限制在网络分层内，簇头节点在完成簇内数据收集后，以簇间多跳形式将数据发送到sink节点。

1)网络初始化

(1)网络能耗分析

令宽为W、长为L的矩形网络中分布着N个传感器节点，网络分为k层，其中距离sink最近的一层为L₁，距离sink最远的一层为L_k。对第i层内的任一簇C_i，令其簇半径为r(C_i)，簇面积为||C_i||，第i层网络的层高为H_i＝2r(C_i)。簇C_i的簇头节点CH_i在一个簇周期的能耗包括完成簇内数据处理所消耗的能量与完成簇间数据处理所消耗的能量即满足

定理1簇头节点CH_i在一个簇周期完成簇内数据处理所消耗的能量为π(r(C_i))²ρlE_elec。

证明在一个簇周期，簇头节点CH_i完成簇内数据处理所消耗的能量为接收簇内节点监控数据的能耗因此，簇头节点完成簇内数据处理所消耗的能量为：

[证毕]

定理2簇头节点CH_i在一个簇周期完成簇间数据处理所消耗的能量为公式(6)。

证明除最外层网络外，其他各层内的簇头节点均需承担外层网络的数据转发任务。对第i层网络(满足i＜k)，外层网络产生的总数据为簇头节点CH_i接收外层网络数据量为：

因此，簇头CH_i接收外层网络的数据的能耗为：

簇头节点CH_i发送到内层网络的数据包括接收的外层网络数据及簇内节点发送到簇头的数据，因此CH_i需要发送到内层网络的数据总量为：

根据能量消耗模型，簇头节点CH_i发送所有数据所消耗的能量为：

根据公式3、5，我们能得出簇头节点CH_i在一个簇周期完成簇间数据处理所消耗的能量为：

[证毕]

对第i层网络，其所有簇头节点的总能耗为：

(2)非均匀分层

理想情况下，网络中的每个簇头在一个簇周期的能耗相等，这样可以保证所有节点在同时耗尽自身的能量，能耗效率得到了最优化。因此公式8给出了为平衡网络各层的能耗，各层层高应满足的条件：

2)簇头选择

sink在网络初始阶段以覆盖全网络范围的广播强度进行一次广播，网络中的各节点在收到sink的广播后根据公式9得到自身与sink的距离，确定所属网络层次。进一步，各节点在所属网络分层内广播包含自身当前剩余能量信息的簇头竞争消息。如果某节点发现自身的当前剩余能量大于收到广播的其他节点能量，该节点就发布成为簇头的广播。

其中，d_i，j表示节点i与j的距离，表示节点i广播信号的发送强度，是节点j接收到的广播的信号强度，K是一个常量，a为距离-能量梯度，其值由传感器网络所处的物理环境决定，取值范围在1-6之间。

3)路由负载分流

本发明在簇间采用分流路由数据传输方法，并根据下一层网络中簇头的剩余能量以及相对距离确定数据转发任务。具体过程如下：

对L_i(i≠1)层网络中的第j个簇头CH_i，j，其数据最大传输距离为H_i+H_i-1，因此，当CH_i，j完成簇内数据收集后，在L_i-1层网络中开启路由发现过程。首先簇头CH_i，j在H_i+H_i-1范围内发出路由请求，L_i-1层网络中所有收到路由请求的簇头节点在收到请求后，以一定功率发出包含自身能量信息的应答消息。令L_i-1层网络中共有m个簇头发出了应答消息，对其任意一个簇头CH_i-1，j，表示其当前能量、表示其路由距离(与CH_i，j的距离)。簇头CH_i，j共有l bit数据需要进行发送，其中发送到CH_i-1，j的数据量l_j计算如下：

簇头节点CH_i，j根据计算得出的分流值，将数据发送至下一层的各个簇头节点。

本发明给出了网络的分层性能，如图3所示；研究了路由负载分流对网络性能提升的影响，如图4所示。

本发明与LEACH、DEBUC以及FBR三种方法对网络寿命、节点平均剩余能量、改变节点初始能量、改变网络节点密度方面进行了比较，比较结果如图5所示。验证了本方法可以更均衡节点能耗负载、获得更长的网络寿命，并能有效避免能量空洞现象的出现。