本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及路由負(fù)載分流的非均勻分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞避免方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)與微電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常由能量有限的電池供電，這些節(jié)點(diǎn)在部署后難以更換電池，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著嚴(yán)重的能量約束問(wèn)題。因此，如何高效的利用節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命成為了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在采用多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位于sink附近的節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)更多的來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因而能量消耗速度更快，這些節(jié)點(diǎn)的能量也會(huì)早于其他節(jié)點(diǎn)消耗殆盡。這樣，其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將很難再傳輸至sink，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命結(jié)束，而網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)內(nèi)大量的剩余能量被浪費(fèi)，這種現(xiàn)象被稱為“能量空洞”。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)能量空洞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中還剩余高達(dá)90％的能量被浪費(fèi)。

能量空洞現(xiàn)象讓研究者們認(rèn)識(shí)到，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命取決于最早死亡的節(jié)點(diǎn)，這也直接影響到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量利用率與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控質(zhì)量。因此，如何均衡網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的能耗，避免能量空洞的出現(xiàn)并盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，成為了許多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了路由負(fù)載分流的非均勻分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞避免方法，此方法采用非均勻分簇策略，引入路由負(fù)載分流的思想，有效均衡了簇頭節(jié)點(diǎn)能耗，避免了能量空洞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案非均勻分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡分流路由方法，包括網(wǎng)絡(luò)初始化、簇頭選擇和路由負(fù)載分流三個(gè)階段，具體步驟如下：

1)網(wǎng)絡(luò)初始化與網(wǎng)絡(luò)非均勻分層。首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，網(wǎng)絡(luò)部署完成后對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非均勻分層，同時(shí)簇的范圍局限在層內(nèi)。由于靠近sink的區(qū)域有著更大的能耗負(fù)載，因而通過(guò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各區(qū)域的能耗情況，讓能耗更大的區(qū)域簇規(guī)模更小。

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)簇的簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)簇周期的能耗由以下兩部分組成：簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)簇周期完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)處理所消耗的能量簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)簇周期完成簇間數(shù)據(jù)處理所消耗的能量在完成各簇的簇頭節(jié)點(diǎn)在一個(gè)簇周期的能耗計(jì)算后，計(jì)算每一層網(wǎng)絡(luò)其所有簇頭節(jié)點(diǎn)的總能耗。

為了避免能量空洞現(xiàn)象的出現(xiàn)，應(yīng)滿足網(wǎng)絡(luò)各層內(nèi)的所有簇頭節(jié)點(diǎn)之和相等，因此根據(jù)此條件得出網(wǎng)絡(luò)各層的層高。

2)簇頭選擇。各層內(nèi)按照節(jié)點(diǎn)的剩余能量選擇一定數(shù)量的簇頭，剩余能量更大的節(jié)點(diǎn)有更大的成為簇頭的可能性。

3)路由負(fù)載分流路由。網(wǎng)絡(luò)非均勻分層，只是保證了各層內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗之和相等。由于網(wǎng)絡(luò)各層規(guī)模不等且簇局限在層內(nèi)，因而各層內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也必然不等。在簇頭數(shù)量較多的內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)中，各簇頭的負(fù)載必然不均衡，會(huì)出現(xiàn)某些簇頭承擔(dān)了較多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)而某些簇頭沒(méi)有承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的情況。因此，為平衡網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各簇簇頭的路由負(fù)載，本文提出非均勻分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡分流路由方法。即一個(gè)簇的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一跳簇頭時(shí)，不再只發(fā)送給一個(gè)簇頭，而是將數(shù)據(jù)分流到多個(gè)簇頭。數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，考察下一層網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸范圍內(nèi)所有簇頭的剩余能量，讓有更多剩余能量的簇頭承擔(dān)更大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。由于數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能耗與數(shù)據(jù)傳輸距離相關(guān)，因此考察數(shù)據(jù)待傳輸簇頭與數(shù)據(jù)傳輸范圍內(nèi)的下一層網(wǎng)絡(luò)的所有簇頭的相對(duì)距離，讓相對(duì)距離更小的下一層簇頭承擔(dān)更大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，從而節(jié)省數(shù)據(jù)待傳輸簇頭的能耗。

本發(fā)明的有益效果主要有以下幾點(diǎn)：1)本發(fā)明利用分簇進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與傳輸，但與傳統(tǒng)的非均勻分簇不同，本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)初始階段對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，每層網(wǎng)絡(luò)層高不等，簇的范圍限制在層內(nèi)；2)本發(fā)明給出了網(wǎng)絡(luò)各層內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)完成一次簇內(nèi)、簇間數(shù)據(jù)處理所消耗能量的計(jì)算方法，并讓網(wǎng)絡(luò)各層的層高取值滿足各層之間的所有簇頭的能耗均衡；3)由于網(wǎng)絡(luò)層高的不等，必然內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目更多。為有效均衡層內(nèi)各簇頭的負(fù)載，本發(fā)明引入路由負(fù)載分流的數(shù)據(jù)傳輸方法，讓一個(gè)簇的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一跳簇頭時(shí)，不再只發(fā)送給一個(gè)簇頭，而是將數(shù)據(jù)分流到多個(gè)簇頭。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。

圖3為本發(fā)明的路由負(fù)載分流示意圖。

圖4為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)分層性能圖。

圖5為本發(fā)明路由負(fù)載分流對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

圖6為本發(fā)明與其他三類方法的性能對(duì)比圖。

圖7為本發(fā)明的總體實(shí)施方案流程圖

具體實(shí)施方式

圖2為網(wǎng)絡(luò)模型示意圖，在150m×250m的矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署400個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，sink位于(250，75)位置處，具體模型為：

1)唯一的sink節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，sink以基站形式部署；

2)網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)滿足隨機(jī)分布，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率可調(diào)，且在部署后靜止不動(dòng)；

3)網(wǎng)絡(luò)初始階段，對(duì)網(wǎng)絡(luò)分層，各層層高不等；

4)傳感器節(jié)點(diǎn)被組織成簇的形式，各簇的范圍限制在網(wǎng)絡(luò)分層內(nèi)，簇頭節(jié)點(diǎn)在完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集后，以簇間多跳形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)。

1)網(wǎng)絡(luò)初始化

(1)網(wǎng)絡(luò)能耗分析

令寬為W、長(zhǎng)為L(zhǎng)的矩形網(wǎng)絡(luò)中分布著N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)分為k層，其中距離sink最近的一層為L(zhǎng)₁，距離sink最遠(yuǎn)的一層為L(zhǎng)_k。對(duì)第i層內(nèi)的任一簇C_i，令其簇半徑為r(C_i)，簇面積為||C_i||，第i層網(wǎng)絡(luò)的層高為H_i＝2r(C_i)。簇C_i的簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i在一個(gè)簇周期的能耗包括完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)處理所消耗的能量與完成簇間數(shù)據(jù)處理所消耗的能量即滿足

定理1簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i在一個(gè)簇周期完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)處理所消耗的能量為π(r(C_i))²ρlE_elec。

證明在一個(gè)簇周期，簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)處理所消耗的能量為接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的能耗因此，簇頭節(jié)點(diǎn)完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)處理所消耗的能量為：

[證畢]

定理2簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i在一個(gè)簇周期完成簇間數(shù)據(jù)處理所消耗的能量為公式(6)。

證明除最外層網(wǎng)絡(luò)外，其他各層內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)均需承擔(dān)外層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。對(duì)第i層網(wǎng)絡(luò)(滿足i＜k)，外層網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)為簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i接收外層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量為：

因此，簇頭CH_i接收外層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的能耗為：

簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i發(fā)送到內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包括接收的外層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到簇頭的數(shù)據(jù)，因此CH_i需要發(fā)送到內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)總量為：

根據(jù)能量消耗模型，簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i發(fā)送所有數(shù)據(jù)所消耗的能量為：

根據(jù)公式3、5，我們能得出簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i在一個(gè)簇周期完成簇間數(shù)據(jù)處理所消耗的能量為：

[證畢]

對(duì)第i層網(wǎng)絡(luò)，其所有簇頭節(jié)點(diǎn)的總能耗為：

(2)非均勻分層

理想情況下，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)簇頭在一個(gè)簇周期的能耗相等，這樣可以保證所有節(jié)點(diǎn)在同時(shí)耗盡自身的能量，能耗效率得到了最優(yōu)化。因此公式8給出了為平衡網(wǎng)絡(luò)各層的能耗，各層層高應(yīng)滿足的條件：

2)簇頭選擇

sink在網(wǎng)絡(luò)初始階段以覆蓋全網(wǎng)絡(luò)范圍的廣播強(qiáng)度進(jìn)行一次廣播，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)在收到sink的廣播后根據(jù)公式9得到自身與sink的距離，確定所屬網(wǎng)絡(luò)層次。進(jìn)一步，各節(jié)點(diǎn)在所屬網(wǎng)絡(luò)分層內(nèi)廣播包含自身當(dāng)前剩余能量信息的簇頭競(jìng)爭(zhēng)消息。如果某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自身的當(dāng)前剩余能量大于收到廣播的其他節(jié)點(diǎn)能量，該節(jié)點(diǎn)就發(fā)布成為簇頭的廣播。

其中，d_i，j表示節(jié)點(diǎn)i與j的距離，表示節(jié)點(diǎn)i廣播信號(hào)的發(fā)送強(qiáng)度，是節(jié)點(diǎn)j接收到的廣播的信號(hào)強(qiáng)度，K是一個(gè)常量，a為距離-能量梯度，其值由傳感器網(wǎng)絡(luò)所處的物理環(huán)境決定，取值范圍在1-6之間。

3)路由負(fù)載分流

本發(fā)明在簇間采用分流路由數(shù)據(jù)傳輸方法，并根據(jù)下一層網(wǎng)絡(luò)中簇頭的剩余能量以及相對(duì)距離確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。具體過(guò)程如下：

對(duì)L_i(i≠1)層網(wǎng)絡(luò)中的第j個(gè)簇頭CH_i，j，其數(shù)據(jù)最大傳輸距離為H_i+H_i-1，因此，當(dāng)CH_i，j完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集后，在L_i-1層網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)啟路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。首先簇頭CH_i，j在H_i+H_i-1范圍內(nèi)發(fā)出路由請(qǐng)求，L_i-1層網(wǎng)絡(luò)中所有收到路由請(qǐng)求的簇頭節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求后，以一定功率發(fā)出包含自身能量信息的應(yīng)答消息。令L_i-1層網(wǎng)絡(luò)中共有m個(gè)簇頭發(fā)出了應(yīng)答消息，對(duì)其任意一個(gè)簇頭CH_i-1，j，表示其當(dāng)前能量、表示其路由距離(與CH_i，j的距離)。簇頭CH_i，j共有l(wèi) bit數(shù)據(jù)需要進(jìn)行發(fā)送，其中發(fā)送到CH_i-1，j的數(shù)據(jù)量l_j計(jì)算如下：

簇頭節(jié)點(diǎn)CH_i，j根據(jù)計(jì)算得出的分流值，將數(shù)據(jù)發(fā)送至下一層的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明給出了網(wǎng)絡(luò)的分層性能，如圖3所示；研究了路由負(fù)載分流對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提升的影響，如圖4所示。

本發(fā)明與LEACH、DEBUC以及FBR三種方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命、節(jié)點(diǎn)平均剩余能量、改變節(jié)點(diǎn)初始能量、改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度方面進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如圖5所示。驗(yàn)證了本方法可以更均衡節(jié)點(diǎn)能耗負(fù)載、獲得更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命，并能有效避免能量空洞現(xiàn)象的出現(xiàn)。