一种可控簇规模的能耗均衡路由方法与流程

本发明主要涉及无线传感器网络的能耗均衡路由协议
背景技术：
：无线传感器网络(wsn)是由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器节点通过无线通讯的方式形成的多跳自组织网络，主要功能是数据采集及监测，其被广泛的应用于各个领域。一般传感器网络部署区域环境复杂，很难为传感器节点更换电池，在节点电源有限的情况下很容易死亡，尤其是大规模传感器网络需要采集转发大量的数据。在转发数据过程中某些传感器节点负载过大能量消耗过快，最终导致无线传感器网络过早死亡，因此研究能耗均衡的路由协议有重要意义。目前针对wsn路由协议的研究主要有两个方面，一种是链路式路由协议，另外一种是层次路由协议。但是这些协议对于簇首的选举、簇规模控制、簇首间路由缺少研究，无线传感器网络路由研究的主要难点在于节点负载不均衡，容易导致某些节点能量提前耗尽，从而使得传感器网络过早死亡。技术实现要素：本发明要克服现有技术的上述问题提出一种可控簇规模的能量均衡路由协议(ccebp)。本发明首先综合考虑节点的剩余能量、节点与邻居节点的链路质量、节点的度选择簇首节点，然后根据节点距离sink节点的最短跳数控制簇首竞争半径，从而控制簇规模，接着利用虚拟力模型进行普通节点成簇，最后簇首通过多跳路由将采集的数据发送至sink节点。该协议在簇首选举、簇规模控制和簇首间路由都充分考虑了负载均衡，因此该协议具有较好的能耗均衡性，对无线传感器网络路由研究的主要难点节点负载不均衡的问题具有重要意义。本发明的一种可控簇规模的能耗均衡路由方法，包括如下步骤：步骤1：对无线传感器网络中的簇首选举；簇首选举的意义，簇首的选择对分簇路由协议的影响重大，选择合适的节点出任簇首能够较好的均衡网络能耗延长网络生存时间。簇首的任务是接收簇成员节点的消息并转发给下一跳簇首，因此簇首需要考虑剩余能量，其次簇成员节点会发送大量的数据包到簇首节点，因此簇成员节点与簇首节点之间的链路质量(lqi)要好。最后簇首与簇首之间通讯需要将通讯半径扩大，且成为簇首需要消耗较大的能量，因此簇首的度(簇首候选节点竞争半径内传感器节点的数量)不宜太小，否则会造成能量的浪费。簇首的选举，考虑簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与其簇成员节点之间的链路质量(lqi)和簇首候选节点的度进行簇首选举。为每个传感器节点建立并储存邻居节点表，如表1所示。表1邻居节点表idejrssiijlqiij表1中id为邻居节点的唯一表示，ej为邻居节点的剩余能量，rssiij为节点与其邻居节点之间的信号强度，lqiij为节点与邻居节点之间的链路质量。根据表1中的相关信息计算每个簇首候选节点的w值，如公式1所示，w值综合考虑了簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与簇成员节点的链路质量以及簇首候选节点度。当簇首候选节点的w值大于其竞争半径内其它传感器节点的w值，则该簇首候选节点出任簇首。公式1中α、β、χ为常数，可根据经验设置，且α+β+χ＝1，ei为簇首候选节点的剩余能量，ej为簇首候选节点i竞争半径内(rssiij>cr)点j的剩余能量，e0为传感器节点的初始能量，lqiij为簇首候选节点i与其竞争半径内的邻居节点j之间的链路质量。lqimax为一个常数，即链路质量范围内的最大值，da为传感器网络的平均度，d为簇首候选节点的度。步骤2：对传感器网络的簇规模控制；步骤2.1：簇首竞争半径，簇首的选择是以候选簇首节点为圆心，以竞争半径为半径的范围内判断候选节点是否出任簇首。候选簇首节点的竞争半径与最终簇首被选择的数量相关，由于传感器网络采集的数据包通过簇首之间多条转发至sink节点，因此越靠近sink节点的簇首不仅需要接收和转发其簇成员的数据包，而且还需要转发大量距离sink节点较远的簇首节点发送来的数据包，而距离sink节点较远的簇首节点在为其它簇首节点转发数据包方面消耗的能量相对来说较少。综上所述，越靠近sink节点的簇首在同一轮数据采集转发过程中消耗的能量远远多于距离sink节点较远的簇首，为了均衡传感器网络的整体能耗，距离sink节点较近的区域应该选择更多的传感器节点成为簇首，分担传感器网络负载，而距离sink节点较远的区域应该选择较少的簇首。本发明的研究针对位置未知的传感器节点，因此利用节点距离sink节点的最短跳数表示节点与sink节点的距离，传感器节点的最短跳数可通过传感器网络洪范方法获得。而且本发明的竞争半径并不采用欧氏距离，而是采用信号强度(rssi<0)，当节点与簇首候选节点之间的信号强度大于cr(竞争半径对应的rssi值)，则认为该节点位于簇首候选节点的竞争半径内。竞争半径如公式2所示。公式2中rssir表示在节点通讯半径r处的信号强度值，hopmin表示距离sink节点的最短跳数，h为常数。当节点与簇首候选节点之间的信号强度大于cr时，认为该节点位于簇首候选节点的竞争半径内。步骤2.2：普通节点加入簇，本发明利用虚拟引力方法将普通传感器节点加入到簇首中形成簇。当簇首节点的剩余能量和通讯质量都比较高时，该簇首节点有能力构建规模较大的簇，而剩余能量较低的簇首则构建规模较小的簇，这有利于簇首之间的能耗均衡。在路由协议中，节点i出任簇首后，向周围传感器节点广播信标帧，告知其邻居节点。广播的信标帧中包括簇首的剩余能量ei和簇首到邻居节点j的信号强度rssiij同一个邻居节点j可能收到多个簇首发送的信标帧，根据信标帧中的信息计算节点j与其各个邻居簇首的引力f(i,j)，最后节点j加入对其引力最大的簇首，引力计算如公式3所示。公式3中ej为普通节点的剩余能量。节点之间的距离可用信号强度表示，当信号强度rssiij的绝对值越大，则说明节点与簇首之间的距离越远，通讯需要消耗的能量越多且节点之间的通讯质量也会受到影响，因此普通节点选择加入簇首时会选择距离该节点相对较近的簇首，即信号强度rssiij较大。当簇首节点的剩余能量ei越大，则对其周围的普通节点引力f(i,j)越大，则更容易构建规模较大的簇，而大规模的簇使得该簇首能量消耗较快，最终与其它簇首的剩余能量均衡。剩余能量相对较少的簇首则构建规模较小的簇，降低能量的消耗。步骤3：对传感器网络的簇首间路由进行设计，具体是：步骤3.1：簇首节点功率放大，簇成员节点定时采集数据并通过一跳路由发送至簇首节点，然后簇首节点将数据进行融合并转发给下一跳簇首节点，最后将数据传输至sink节点。由于簇首之间距离比较大，为保证传感器网络通讯质量，簇首节点主动放大发射功率，将通讯半径r调整为r＝γ×r，γ为常数且大于1。本文提出的路由协议不仅在网络分簇方面充分考虑了能耗均衡，在簇首间路由转发方面同样需要考虑能耗均衡。步骤3.2：簇首间路由设计，簇首间路由采用链路式路由协议，为了均衡网络中簇首节点的能耗，设计了簇首下一跳代价选择函数，如公式4所示：公式4中ci为需要发送数据包的簇首节点编号，cj为与簇首ci相邻的簇首节点编号，ecj为簇首cj的剩余能量，hcj为簇首cj距离sink节点的最短跳数，hmax为簇首ci的通讯半径r内的簇首节点距离sink节点的最短跳数的最大值，d为簇首cj的度，da为网络平均度。由公式(4)可知，当簇首节点ci收集了其簇成员节点的数据，然后根据代价选择函数计算与之相邻的簇首节点cj转发其数据包的代价，选择转发代价最小的簇首作为下一跳转发节点。当簇首节点的剩余能量ecj较低，则被选择为下一跳转发节点的概率越低。距离sink节点最短跳数hcj越大时，该簇首节点被选择为下一跳转发节点的概率越低，同时当簇首的度太大时，其消耗了大量的能量用于簇内通讯，因此被选择为下一跳节点的概率也就越低。因此该代价选择函数能够较好的均衡簇首之间的通讯能耗。本发明的有益效果是：(1)本发明提出的能耗均衡路由协议可以针对位置未知的传感器节点，因此局限性更小。(2)本发明提出的能耗均衡路由协议充分考虑了负载均衡性，对于无线传感器网络路由研究的主要难点节点负载不均衡的问题上有重要意义。附图说明图1是本发明的实现步骤流程图图2是本发明的簇首分布图。图3是本发明的分簇结果图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本发明。参照图1～图3，一种可控簇规模的能耗均衡路由方法，包括如下步骤：步骤1：对无线传感器网络中的簇首选举；步骤1.1：簇首选举的意义，簇首的选择对分簇路由协议的影响重大，选择合适的节点出任簇首能够较好的均衡网络能耗延长网络生存时间。簇首的任务是接收簇成员节点的消息并转发给下一跳簇首，因此簇首需要考虑剩余能量，其次簇成员节点会发送大量的数据包到簇首节点，因此簇成员节点与簇首节点之间的链路质量(lqi)要好。最后簇首与簇首之间通讯需要将通讯半径扩大，且成为簇首需要消耗较大的能量，因此簇首的度(簇首候选节点竞争半径内传感器节点的数量)不宜太小，否则会造成能量的浪费。步骤1.2：簇首的选举，考虑簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与其簇成员节点之间的链路质量(lqi)和簇首候选节点的度进行簇首选举。为每个传感器节点建立并储存邻居节点表，如表1所示。表1邻居节点表idejrssiijlqiij表1中id为邻居节点的唯一表示，ej为邻居节点的剩余能量，rssiij为节点与其邻居节点之间的信号强度，lqiij为节点与邻居节点之间的链路质量。根据表1中的相关信息计算每个簇首候选节点的w值，如公式1所示，w值综合考虑了簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与簇成员节点的链路质量以及簇首候选节点度。当簇首候选节点的w值大于其竞争半径内其它传感器节点的w值，则该簇首候选节点出任簇首。公式1中α、β、χ为常数，可根据经验设置，且α+β+χ＝1，ei为簇首候选节点的剩余能量，ej为簇首候选节点i竞争半径内(rssiij>cr)点j的剩余能量，e0为传感器节点的初始能量，lqiij为簇首候选节点i与其竞争半径内的邻居节点j之间的链路质量。lqimax为一个常数，即链路质量范围内的最大值，da为传感器网络的平均度，d为簇首候选节点的度。在长为500，宽为300的矩形区域内部署800个传感器节点，传感器节点的通讯半径r＝30，根据上述簇首选择方法选择的簇首节点如图2所示。从图中可知越靠近sink节点的区域，簇首密度越高，越远离sink节点的区域簇首密度较低。步骤2：对无线传感器网络中的簇规模控制；步骤2.1：簇首竞争半径，簇首的选择是以候选簇首节点为圆心，以竞争半径为半径的范围内判断候选节点是否出任簇首。候选簇首节点的竞争半径与最终簇首被选择的数量相关，由于传感器网络采集的数据包通过簇首之间多条转发至sink节点，因此越靠近sink节点的簇首不仅需要接收和转发其簇成员的数据包，而且还需要转发大量距离sink节点较远的簇首节点发送来的数据包，而距离sink节点较远的簇首节点在为其它簇首节点转发数据包方面消耗的能量相对来说较少。综上所述，越靠近sink节点的簇首在同一轮数据采集转发过程中消耗的能量远远多于距离sink节点较远的簇首，为了均衡传感器网络的整体能耗，距离sink节点较近的区域应该选择更多的传感器节点成为簇首，分担传感器网络负载，而距离sink节点较远的区域应该选择较少的簇首。本发明的研究针对位置未知的传感器节点，因此利用节点距离sink节点的最短跳数表示节点与sink节点的距离，传感器节点的最短跳数可通过传感器网络洪范方法获得。而且本发明的竞争半径并不采用欧氏距离，而是采用信号强度(rssi<0)，当节点与簇首候选节点之间的信号强度大于cr(竞争半径对应的rssi值)，则认为该节点位于簇首候选节点的竞争半径内。竞争半径如公式2所示。公式2中rssir表示在节点通讯半径r处的信号强度值，hopmin表示距离sink节点的最短跳数，h为常数。当节点与簇首候选节点之间的信号强度大于cr时，认为该节点位于簇首候选节点的竞争半径内。步骤2.1：普通节点加入簇，本发明利用虚拟引力方法将普通传感器节点加入到簇首中形成簇。当簇首节点的剩余能量和通讯质量都比较高时，该簇首节点有能力构建规模较大的簇，而剩余能量较低的簇首则构建规模较小的簇，这有利于簇首之间的能耗均衡。在路由协议中，节点i出任簇首后，向周围传感器节点广播信标帧，告知其邻居节点。广播的信标帧中包括簇首的剩余能量ei和簇首到邻居节点j的信号强度rssiij同一个邻居节点j可能收到多个簇首发送的信标帧，根据信标帧中的信息计算节点j与其各个邻居簇首的引力f(i,j)，最后节点j加入对其引力最大的簇首，引力计算如公式3所示。公式3中ej为普通节点的剩余能量。节点之间的距离可用信号强度表示，当信号强度rssiij的绝对值越大，则说明节点与簇首之间的距离越远，通讯需要消耗的能量越多且节点之间的通讯质量也会受到影响，因此普通节点选择加入簇首时会选择距离该节点相对较近的簇首，即信号强度rssiij较大。当簇首节点的剩余能量ei越大，则对其周围的普通节点引力f(i,j)越大，则更容易构建规模较大的簇，而大规模的簇使得该簇首能量消耗较快，最终与其它簇首的剩余能量均衡。剩余能量相对较少的簇首则构建规模较小的簇，降低能量的消耗。利用本章分簇方法，最后的分簇结果如图3所示。总体趋势是越靠近sink节点的簇规模越小，远离sink节点的簇规模越大。步骤3：对传感器网络的簇首间路由进行设计，具体是：步骤3.1：簇首节点功率放大，簇成员节点定时采集数据并通过一跳路由发送至簇首节点，然后簇首节点将数据进行融合并转发给下一跳簇首节点，最后将数据传输至sink节点。由于簇首之间距离比较大，为保证传感器网络通讯质量，簇首节点主动放大发射功率，将通讯半径r调整为r＝γ×r，γ为常数且大于1。本文提出的路由协议不仅在网络分簇方面充分考虑了能耗均衡，在簇首间路由转发方面同样需要考虑能耗均衡。步骤3.2：簇首间路由设计，簇首间路由采用链路式路由协议，为了均衡网络中簇首节点的能耗，设计了簇首下一跳代价选择函数，如公式4所示：公式4中ci为需要发送数据包的簇首节点编号，cj为与簇首ci相邻的簇首节点编号，ecj为簇首cj的剩余能量，hcj为簇首cj距离sink节点的最短跳数，hmax为簇首ci的通讯半径r内的簇首节点距离sink节点的最短跳数的最大值，d为簇首cj的度，da为网络平均度。由公式4可知，当簇首节点ci收集了其簇成员节点的数据，然后根据代价选择函数计算与之相邻的簇首节点cj转发其数据包的代价，选择转发代价最小的簇首作为下一跳转发节点。当簇首节点的剩余能量ecj较低，则被选择为下一跳转发节点的概率越低。距离sink节点最短跳数hcj越大时，该簇首节点被选择为下一跳转发节点的概率越低，同时当簇首的度太大时，其消耗了大量的能量用于簇内通讯，因此被选择为下一跳节点的概率也就越低。因此该代价选择函数能够较好的均衡簇首之间的通讯能耗。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。当前第1页12