一种无线传感网的分簇路由方法与流程

本发明属于无线传感器技术领域，特别是涉及一种无线传感网的分簇路由方法。

背景技术：

无线传感网(wirelesssensornetwork，wsn)是由成千上万个传感器节点形成的自组织多跳网络。无线传感网一直应用于许多领域，主要应用于工业、农业、交通和森林等方面，具有广泛的应用前景。传感网络节点通常是由电池供电且受体积、成本和功耗等因素的影响，其计算、存储和通信能量均受到限制。因此如何对网络资源进行充分利用及有效的网络平衡负载，是延长整个网络生命周期、均衡网络能量消耗的关键。网络能耗问题一直是无线传感网的研究重点。

现有技术中，解决网络能耗问题都是从设计无线传感网路由协议(wsnrouting)入手，设计良好的路由协议可以更好地节省网络能源，提高网络工作效率，延长整个网络生命周期。一般的路由协议分为两类：平面类型和分层类型。在分层类型中，分簇方法能够更好地管理节点，决定哪些节点形成一个簇，然后在每个簇里面确定一个簇头节点，一个簇里面确定一个簇头后，剩余的节点称为簇成员即普通节点，簇头主要是负责收集普通节点发来的数据、将采集到的信息传送到汇聚节点(sink)，汇聚节点再将信息传送回数据处理中心，由数据处理中心对接收到的数据进行存储和分析。可见这是在传统leach(low-energyadaptiveclusteringhierarchy)基础上加工研究，只局部地考虑了分簇的单独过程，比如单独的实现簇建立机制或者簇首间的路由机制，例如一个分簇路由方法中实现了簇建立路由机制，但是没有实现簇首间的路由机制，或者又说一个分簇路由方法中只实现了簇首间的路由而没有去实现簇建立路由机制，这种只考虑部分的分簇路由虽然从一定程度上解决了节点能量均衡问题，但是对于监测区域地势复杂即网络结构复杂的情况来说，不能完好地保证网络的稳定性和网络负载均衡。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种无线传感网的分簇路由方法，其中每一个路由阶段都可以更有效地传输数据，提高网络传输效率和节点负载均衡性，从而平衡网络负载，延长网络生命周期。

本申请提供的一种无线传感网的分簇路由方法，包括：

通过节点休眠机制选出休眠节点和活跃节点；

对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇；

根据所述簇头节点的参数，确定所述簇头节点直接与汇聚节点通信或者利用多跳方式与所述汇聚节点通信。

优选的，在上述无线传感网的分簇路由方法中，所述根据所述簇头节点的参数，确定所述簇头节点直接与汇聚节点通信或者利用多跳方式与所述汇聚节点通信包括：

根据所述簇头节点的参数确定一个标准值，在预设区间内产生一个随机数，当所述随机数大于所述标准值时则所述簇头节点直接与汇聚节点通信，否则利用多跳方式与所述汇聚节点通信。

优选的，在上述无线传感网的分簇路由方法中，所述簇头节点的参数包括：

所述簇头节点的剩余能量、所述簇头节点距离所述汇聚节点的距离以及所述簇头节点本身承载的数据容量。

优选的，在上述无线传感网的分簇路由方法中，所述对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇为：

利用遗传算法对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇。

优选的，在上述无线传感网的分簇路由方法中，所述利用遗传算法对所述活跃节点进行分簇包括：

根据节点剩余能量、到汇聚节点距离、分组传输的频率和通信代价确定所述遗传算法中的适应度函数f，具体的，

其中χ1，χ2，χ3，χ4为当前簇头组的节点剩余能量、到汇聚节点距离、分组传输频率、通信代价的权值参数，其中χ1+χ2+χ3+χ4＝1，0＜χi＜1，i∈{1，2，3，4})；

ei表示id为i的节点的剩余能量，psink表示汇聚节点的位置，pi表示节点id为i的位置，ti表示节点id为i的传输周期，n表示簇内节点数，n表示活跃节点总数，β1和β2表示节点i担任簇头节点时簇内节点距离簇头节点i的平均距离与平均的簇内节点数量的权值参数，fe表示簇头组剩余能量，fd表示节点距离汇聚节点的距离，ff表示节点分组传输频率，fc表示当前簇头组的通信代价。

优选的，在上述无线传感网的分簇路由方法中，所述根据所述簇头节点的参数确定一个标准值为：

其中di为当前簇头与汇聚节点的距离，dmax为节点到汇聚节点的最远距离，r为节点的通信范围，e为节点的初始能量，c为节点最大的承载数据容量，ei为id为i的节点的剩余能量，ci为当前簇头节点的承载数据容量。

优选的，在上述无线传感网的分簇路由方法中，所述预设区间为[0,1]。

通过上述描述可知，本发明提供的上述无线传感网的分簇路由方法，由于包括通过节点休眠机制选出休眠节点和活跃节点；对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇；根据所述簇头节点的参数，确定所述簇头节点直接与汇聚节点通信或者利用多跳方式与所述汇聚节点通信，因此，其中每一个路由阶段都可以更有效地传输数据，提高网络传输效率和节点负载均衡性，从而平衡网络负载，延长网络生命周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的第一种无线传感网的分簇路由方法的示意图；

图2为节点休眠模型的示意图；

图3为簇间单跳模型的示意图；

图4为簇间多跳模型的示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于提供一种无线传感网的分簇路由方法，其中每一个路由阶段都可以更有效地传输数据，提高网络传输效率和节点负载均衡性，从而平衡网络负载，延长网络生命周期。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的第一种无线传感网的分簇路由方法如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种无线传感网的分簇路由方法的示意图，该方法包括如下步骤：

s1：通过节点休眠机制选出休眠节点和活跃节点；

具体的，参考图2，图2为节点休眠模型的示意图，在无线传感网中通过节点休眠机制选出活跃节点，让这些活跃节点参与工作，其他没有被选为活跃节点的就处于休眠状态，不参与工作。这里通过节点随机休眠机制选举出一定比例的休眠节点，考虑监测区域内随机分配一定数目的传感器节点，假如根据监测环境情况决定节点休眠比例为r＝50％(节点休眠比例r值可以根据实际监测环境情况来设定)，若传感网总节点数为s，那么经过节点休眠算法选举出的休眠节点数m＝s*50％，这样既不耽误传感网的正常运转，同时也减少了一些节点不必要的能源损耗。

s2：对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇；

这是簇的建立过程，将活跃节点分簇，簇的建立是先进行簇头的选举，然后由簇头进行广播，形成簇，这是一个循环的过程，当经过一定时间之后，会重新进行确定活跃节点并再次形成簇。

s3：根据所述簇头节点的参数，确定所述簇头节点直接与汇聚节点通信或者利用多跳方式与所述汇聚节点通信。

具体的，如图3和图4所示，图3为簇间单跳模型的示意图，图4为簇间多跳模型的示意图，当簇头节点距离汇聚节点较远、能量较低以及承载的数据容量小时，应尽可能选用图4所示的多跳通信方式来降低当前簇头节点的通信能耗，而当簇头节点距离汇聚节点较近、能量相对充裕以及承载的数据容量大时，应尽可能选择图3所示的直接与汇聚节点通信的方式来提高数据传输的速率，上述各个步骤是轮环进行的，重复上述三个步骤，休眠节点的选举、簇的建立和簇间路由，就能够达到均衡网络能耗和延长网络生命周期的目的。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的第一种无线传感网的分簇路由方法，由于包括通过节点休眠机制选出休眠节点和活跃节点；对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇；根据所述簇头节点的参数，确定所述簇头节点直接与汇聚节点通信或者利用多跳方式与所述汇聚节点通信，因此，其中每一个路由阶段都可以更有效地传输数据，提高网络传输效率和节点负载均衡性，从而平衡网络负载，延长网络生命周期。

本申请实施例提供的第二种无线传感网的分簇路由方法，是在上述第一种无线传感网的分簇路由方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述根据所述簇头节点的参数，确定所述簇头节点直接与汇聚节点通信或者利用多跳方式与所述汇聚节点通信包括：

根据所述簇头节点的参数确定一个标准值，在预设区间内产生一个随机数，当所述随机数大于所述标准值时则所述簇头节点直接与汇聚节点通信，否则利用多跳方式与所述汇聚节点通信。

本申请实施例提供的第三种无线传感网的分簇路由方法，是在上述第一种无线传感网的分簇路由方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述簇头节点的参数包括：

所述簇头节点的剩余能量、所述簇头节点距离所述汇聚节点的距离以及所述簇头节点本身承载的数据容量。

本申请实施例提供的第四种无线传感网的分簇路由方法，是在上述第一种无线传感网的分簇路由方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇为：

利用遗传算法对所述活跃节点进行分簇，选举出簇头节点，并由所述簇头节点广播形成簇。

需要说明的是，这里通过遗传算法选举出最优的簇头组，遗传算法是根据生物进化论，利用选择、交叉和变异方法来对问题进行优化。

本申请实施例提供的第五种无线传感网的分簇路由方法，是在上述第四种无线传感网的分簇路由方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述利用遗传算法对所述活跃节点进行分簇包括：

根据节点剩余能量、到汇聚节点距离、分组传输的频率和通信代价确定所述遗传算法中的适应度函数f，具体的，

其中χ1，χ2，χ3，χ4为当前簇头组的节点剩余能量、到汇聚节点距离、分组传输频率、通信代价的权值参数，其中χ1+χ2+χ3+χ4＝1，0＜χi＜1，i∈{1，2，3，4})；

ei表示id为i的节点的剩余能量，psink表示汇聚节点的位置，pi表示节点id为i的位置，ti表示节点id为i的传输周期，n表示簇内节点数，n表示活跃节点总数，β1和β2表示节点i担任簇头节点时簇内节点距离簇头节点i的平均距离与平均的簇内节点数量的权值参数，fe表示簇头组剩余能量，fd表示节点距离汇聚节点的距离，ff表示节点分组传输频率，fc表示当前簇头组的通信代价。

其中，节点通信代价指的就是节点作为簇头后与簇内节点交互所要付出的代价，这个交互代价，主要是通过簇头与簇内节点的距离决定的，簇头与簇内节点通信距离的长短直接影响到簇头付出代价的多少。

本申请实施例提供的第六种无线传感网的分簇路由方法，是在上述第三种无线传感网的分簇路由方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述根据所述簇头节点的参数确定一个标准值为：

其中di为当前簇头与汇聚节点的距离，dmax为节点到汇聚节点的最远距离，r为节点的通信范围，e为节点的初始能量，c为节点最大的承载数据容量，ei为id为i的节点的剩余能量，ci为当前簇头节点的承载数据容量。

当di较大、ei偏小且ci偏小时，tn较大，p大于tn的概率比较低，所以这时要采用多跳通信的方式，以降低节点能耗，提高网络生命周期；反之亦然，当di较小、ei偏大且ci偏大时，tn较小，p大于tn的概率比较高，这时可以采用单跳的通信的方式，提高网络数据传输速率及平衡了网络能耗。公式中表明当簇头节点距离汇聚节点的距离小于r时，tn为0，这时就直接采用单跳的通信方式。

本申请实施例提供的第七种无线传感网的分簇路由方法，是在上述第二种无线传感网的分簇路由方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述预设区间为[0,1]。

需要说明的是，簇头到汇聚节点(sink)的通信方式直接能够影响到簇头的存活时间，簇头是直接跳转到汇聚节点还是选择多跳的方式进行通信，这需要从簇头自身的因素来决定，根据簇头本身承载的数据容量、节点剩余能量、距离汇聚节点的距离来设计一个标准值tn，然后在区间[0,1]产生一个随机数p，如果p大于tn则簇头直接与汇聚节点通信，若p小于或者等于tn，则进行多跳通信方式。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。