專利名稱：一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，具體涉及一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法。
背景技術(shù)：
在對(duì)此方法的研究和實(shí)踐過程中，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn):無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。在無線傳感網(wǎng)中，一個(gè)好的節(jié)點(diǎn)間的路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能及安全有著至關(guān)重要的影響，因此，路由協(xié)議的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在無線傳感網(wǎng)中，LEACH算法是一種典型的層次路由算法，全稱為低功耗自適應(yīng)集簇分層協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。該算法的基本思想是:以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。LEACH在運(yùn)行過程中不斷的循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，每個(gè)簇重構(gòu)過程可以用回合的概念來描述。每個(gè)回合可以分成兩個(gè)階段:簇的建立階段和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。為了節(jié)省資源開銷，穩(wěn)定階段的持續(xù)時(shí)間要大于建立階段的持續(xù)時(shí)間。簇的建立過程可分成4個(gè)階段:簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇、簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播、簇頭節(jié)點(diǎn)的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。LEACH路由協(xié)議主要分為兩個(gè)階段:即簇建立階段(setup phase)和穩(wěn)定運(yùn)行階段(ready phase)。簇建立階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段所持續(xù)的時(shí)間總和為一輪(round)。為減少協(xié)議開銷，穩(wěn)定運(yùn)行階段的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)于簇建立階段。在簇建立階段，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個(gè)0至I之間的隨機(jī)數(shù)，并且與閾值T (n)做比較，如果小于該閾值，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)當(dāng)選為簇頭。在穩(wěn)定階段，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后再將信息傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。穩(wěn)定階段持續(xù)一段時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入簇的建立階段，進(jìn)行下一輪的簇重建，不斷循環(huán)。本人在研究是的過程中，本人發(fā)現(xiàn)LEACH算法存在的問題:該算法沒有考慮到某個(gè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)簇頭選舉所產(chǎn)生的負(fù)面影響，因此可能出現(xiàn)某一區(qū)域節(jié)點(diǎn)集中，但是成為簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)目卻很少，也有可能出現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)剩余能量很低，但卻成為了簇頭節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過快的死亡，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，它能夠有效的選取區(qū)域內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)和剩余能量較大的節(jié)點(diǎn)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明根據(jù)LEACH算法，在簇頭選取階段考慮節(jié)點(diǎn)的分布情況，節(jié)點(diǎn)分布密集的區(qū)域當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率應(yīng)當(dāng)適當(dāng)較大；在考慮節(jié)點(diǎn)密度的同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的剩余能量也是節(jié)點(diǎn)能否當(dāng)選為簇頭的一個(gè)重要因素之一，節(jié)點(diǎn)相對(duì)于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量越高，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率越大。具體步驟如下:
1)確定本節(jié)點(diǎn)與基站(即Sink點(diǎn))之間的距離；
2)引入節(jié)點(diǎn)密度調(diào)節(jié)函數(shù)以及能量調(diào)節(jié)函數(shù)，使得節(jié)點(diǎn)的選取更加的合理；
3)節(jié)點(diǎn)參與簇頭的選取，不能成為簇頭的直接成為普通節(jié)點(diǎn)；
4)簇頭節(jié)點(diǎn)之間的相互通信；
5)普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱選擇加入相應(yīng)的簇；
6)簇頭節(jié)點(diǎn)安排時(shí)隙給本簇的節(jié)點(diǎn)；
7)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)階段；
8)重復(fù)步驟2至步驟7，直至所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡。上述步驟I中，節(jié)點(diǎn)首先確定自己與sink節(jié)點(diǎn)的距離的步驟是:(a)節(jié)點(diǎn)一旦部署，其位置便不再發(fā)生改變；Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測(cè)范圍的大小選擇合適的功率進(jìn)行廣播，確保監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都收到其廣播的位置信息，廣播信息里攜帶了 Sink節(jié)點(diǎn)的位置以及以Sink節(jié)點(diǎn)為中心的一系列同心圓，靠近Sink節(jié)點(diǎn)的為最內(nèi)層圓，依次往外推；(b)普通節(jié)點(diǎn)收到Sink節(jié)點(diǎn)的廣播信息后，確定自己與Sink節(jié)點(diǎn)的距離以及所在同心圓的層數(shù)；(c)普通節(jié)點(diǎn)在確定其與Sink節(jié)點(diǎn)的距離以后，將此數(shù)據(jù)記錄下來并保存。上述步驟2中，引入密度調(diào)節(jié)函數(shù)以及能量調(diào)節(jié)函數(shù)，使得簇頭的選取更加合理的步驟是:(a)確定節(jié)點(diǎn)分布密集區(qū)域和節(jié)點(diǎn)分布稀疏區(qū)域；(b)定義節(jié)點(diǎn)密度函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于它包括: 1)確定本節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離； 2)引入節(jié)點(diǎn)密度調(diào)節(jié)函數(shù)以及能量調(diào)節(jié)因子，使得節(jié)點(diǎn)的選取更加的合理； 3)節(jié)點(diǎn)參與簇頭的選取，不能成為簇頭節(jié)點(diǎn)的直接成為普通節(jié)點(diǎn)； 4)簇頭節(jié)點(diǎn)之間的相互通信； 5)普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱選擇加入相應(yīng)的簇； 6)簇頭節(jié)點(diǎn)安排時(shí)隙給本簇的節(jié)點(diǎn)； 7)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)階段； 重復(fù)步驟2至步驟7，直至所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟I中，確定本節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離步驟是:(a)節(jié)點(diǎn)一旦部署，其位置便不再發(fā)生改變；Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測(cè)范圍的大小選擇合適的功率進(jìn)行廣播，確保監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都收到其廣播的位置信息，廣播信息里攜帶了 Sink節(jié)點(diǎn)的位置以及以Sink節(jié)點(diǎn)為中心的一系列同心圓，靠近Sink節(jié)點(diǎn)的為最內(nèi)層圓，依次往外推；(b)普通節(jié)點(diǎn)收到Sink節(jié)點(diǎn)的廣播信息后，確定自己與Sink節(jié)點(diǎn)的距離以及所在同心圓的層數(shù)；(c)普通節(jié)點(diǎn)在確定其與Sink節(jié)點(diǎn)的距離以后，將此數(shù)據(jù)記錄下來并保存。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟2中，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟3中，引入密度調(diào)節(jié)函數(shù)以及能量調(diào)節(jié)函數(shù)，使得簇頭的選取更加合理的步驟是:(a)確定節(jié)點(diǎn)分布密集區(qū)域和節(jié)點(diǎn)分布稀疏區(qū)域；(b)定義節(jié)點(diǎn)密度函數(shù)為—^odemighborNode 其中Nodeneighbor為節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，由定義可知，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)越多，好(0就越接近1，因此該節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率就越大，(C)定義能量調(diào)節(jié)函數(shù)=，其中，Ekfi為節(jié)點(diǎn)i的當(dāng)前能量，為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前具備的平均能量，由定義可知，節(jié)點(diǎn)的剩余能量越大，z(i)越大，節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率也就越大，(d)確定簇頭的閾值門限，將原來的閾值門限的改為 gc^1 [0;G(Z)=O 其中p表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率，表示在輪中未當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合，好Co為節(jié)點(diǎn)密度因子，m表示能量調(diào)節(jié)因子，為確保i 與勒之和小于1，引入調(diào)節(jié)因子y。
4.節(jié)點(diǎn)參與簇頭的選取，不能成為簇頭的直接成為普通節(jié)點(diǎn)的步驟是:(a)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個(gè)數(shù)，此數(shù)介于O到I之間；(b)將此生成的數(shù)與閾值門限比較，該閾值為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟4中，簇頭節(jié)點(diǎn)之間相互通信的步驟是:(a)第i層同心圓的簇頭以一定的功率尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)的信息；(b)簇頭節(jié)點(diǎn)收到尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)的細(xì)信息以后，將發(fā)送尋找下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)的簇頭到Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離與自己到Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離作比較，若自己到Sink節(jié)點(diǎn)的距離比較近,則進(jìn)入下一步驟；(c)該簇頭節(jié)點(diǎn)首先判斷自身能量是否能維持本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，若能量有剩余，則同意自身成為轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)；(d)在一定的時(shí)間內(nèi)，若第i層同心圓內(nèi)的簇頭沒有收到能夠成為轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)的信息，則簇頭節(jié)點(diǎn)加大功率來尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)的信息，重復(fù)步驟(b)至(d)，直至最后的簇頭節(jié)點(diǎn)的下一跳是sink節(jié)點(diǎn)；(e)簇頭節(jié)點(diǎn)廣播的信息中攜帶了自己的位置信息以及廣播自己成為簇頭節(jié)點(diǎn)的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟5中，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱選擇加入相應(yīng)的簇的步驟是:(a)非簇頭節(jié)點(diǎn)接受簇頭節(jié)點(diǎn)所廣播的信息；(b)普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)所廣播的信息確定自己與這些簇頭節(jié)點(diǎn)之間的距離；(C)普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)距離判斷自己距離哪個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)更近；⑷節(jié)點(diǎn)加入離自己最近的簇，并發(fā)送加入信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟6中，簇頭根據(jù)收到加入信息，安排時(shí)隙給加入本簇的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的步驟是:(a)簇頭收到普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送的要求加入簇的信息；(b)根據(jù)收到的簇成員節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)為其分配時(shí)隙，并廣播，之后普通節(jié)點(diǎn)即可以分配好的時(shí)隙里向簇頭傳輸信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟7中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E是:(a)構(gòu)建信號(hào)傳輸模型，(b)節(jié)點(diǎn)將K bit數(shù)據(jù)傳輸距離d耗能為
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟8中，完成了一輪的 數(shù)據(jù)傳輸之后，重復(fù)步驟2至步驟7，直到所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用分層的無線傳感網(wǎng)路由改進(jìn)方法。本發(fā)明的方法包括整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期分為若干輪，由傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)leach路由算法可知，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成0至1之間的一個(gè)數(shù)，在此范圍內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)將此數(shù)與閾值做比較，如果大于該閾值，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)當(dāng)選為簇頭，而其附近未當(dāng)選為簇頭的普通節(jié)點(diǎn)則加入該簇。本發(fā)明在閾值的設(shè)定中，引入節(jié)點(diǎn)能量密度調(diào)節(jié)函數(shù)概念，這樣可以使得節(jié)點(diǎn)密集分布區(qū)域比稀疏分布區(qū)域具有更多簇頭，使簇頭的選取更加合理。本方法能夠降低能耗并有效的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
文檔編號(hào)H04W40/24GK103209456SQ20131000341
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者陳志浩, 龍承志, 向滿天, 虞貴財(cái), 羅建平, 鄒文生, 余堯毅, 周海 申請(qǐng)人:南昌大學(xué)