專利名稱：一種自定義的無線傳感器網(wǎng)絡跨區(qū)多跳路由方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡中負載均衡的路由方法LEACH-CS (LEACH-Customizable Zone-Spanned)，屬于計算機通信網(wǎng)絡領域。
背景技術：
在計算機網(wǎng)絡中，路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉發(fā)到目的節(jié)點。 傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡路由設計的首要目標是提供高服務質量和公平高效地利用網(wǎng)絡帶寬，能量消 耗問題不是路由考慮的重點。但在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感節(jié)點的能量和通信能力有限，網(wǎng) 絡要求路由協(xié)議高效利用能量。同時傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)目往往很大，節(jié)點只能獲取局部 拓撲結構信息，這就要求路由協(xié)議能在局部網(wǎng)絡信息的基礎上選擇合適的路徑。有此可見， 傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議已不適應于無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境，研究新的適用于無線傳感器網(wǎng) 絡的路由協(xié)議具有重要意義。在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點的無線通信模塊即使在空閑狀態(tài)下其能量消耗 也與收發(fā)狀態(tài)時相差無幾，所以無線傳感器網(wǎng)絡引入了分簇算法來適當?shù)仃P閉通信模塊， 降低節(jié)點的能量開銷。分簇網(wǎng)絡中節(jié)點通常被分為簇頭和普通節(jié)點兩類。由于簇頭需要協(xié) 調普通節(jié)點的工作，負責數(shù)據(jù)的融合和轉發(fā)，所以能量消耗相對較大。為此，分簇算法周期 性地更換簇頭來均衡網(wǎng)絡能耗。目前，典型的分簇路由算法中，LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 是最早提出的一種基于多簇結構的無線傳感器網(wǎng)絡分簇算法，其分簇思想貫穿于后來提出 的許多協(xié)議中。但是LEACH算法沒有考慮節(jié)點的能量，也不能保證簇頭數(shù)目和分布。當簇 頭與匯聚節(jié)點(sink)相距較遠時，通信會消耗較多能量，造成網(wǎng)絡能耗不均衡。針對LEACH存在的不足，近年來，研究人員已經(jīng)做了很多工作。在簇頭選舉的改進 協(xié)議中，方案多是對閾值T(n)的改進。如將節(jié)點的剩余能量、地理位置等參數(shù)引入T(n)式 中，降低低能量與位置不佳的節(jié)點被選為簇首的可能性?；驅⒛芰恳蛩?、節(jié)點連續(xù)未當選過 簇首的輪次及節(jié)點的鄰近數(shù)目考慮進T(n)式中。這些方法實質是降低能量少的節(jié)點成為 簇頭的概率，并沒有真正避免節(jié)點的遠距離通信。同時有的算法引入網(wǎng)絡面積、節(jié)點個數(shù)、 節(jié)點距離等參數(shù)，對網(wǎng)絡時延，節(jié)點運算都有一定的影響。所以算法應該能夠避免長距離通 信，且引入的參數(shù)計算簡單，滿足網(wǎng)絡壽命和計算量的實際要求。在簇間路由的改進算法中，如在最近簇頭之間建立一個多跳的通向匯聚節(jié)點的最 優(yōu)路徑，雖算法實現(xiàn)簡單但是不能保證較好的路由方向?；蚧谧钚∩蓸淅碚?，提出建立 數(shù)據(jù)匯聚的最小能耗樹，該算法在數(shù)據(jù)傳輸階段能耗減小很明顯，但是在建立路由時計算 顯得復雜。而無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議在保證高效的同時也要盡量避免在路由控制上消耗 太多的能量。這些工作都得到了預期的效果，但是算法或者引入的參數(shù)較為復雜，或者每輪 循環(huán)都要重復運算，這些被累積起來的能量消耗應該盡量減少。
發(fā)明內容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術存在的缺陷提供一種無線傳感器網(wǎng)絡自定義的跨區(qū) 多跳路由方法LEACH-CS (LEACH-Customizable Zone-Spanned)，使網(wǎng)絡各節(jié)點首先完成簡 單分區(qū)定位，之后根據(jù)分區(qū)情況執(zhí)行簇頭選舉、成簇、簇間路由建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮喲h(huán)過 程，著重避免網(wǎng)絡節(jié)點能耗不均衡問題，延長網(wǎng)絡壽命，擴大協(xié)議適用的網(wǎng)絡規(guī)模。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案本發(fā)明一種自定義的無線傳感器網(wǎng)絡跨區(qū)多跳路由方法，包括如下步驟(1)網(wǎng)絡初始化，匯聚節(jié)點向整個無線傳感器網(wǎng)絡廣播一個控制消息，各節(jié)點判斷 接收到該消息的信號強度RSSI，估算與匯聚節(jié)點的距離，根據(jù)預設的區(qū)域差半徑r(l來標識 各節(jié)點所屬區(qū)域；(2)簇的建立，當節(jié)點產生的0 1之間的隨機數(shù)小于閾值T(n)時，該節(jié)點當選簇 頭并廣播自己是簇頭的消息，非簇頭節(jié)點根據(jù)收到的廣播消息判斷自己所屬區(qū)域是否已產 生簇頭若沒有，則非簇頭節(jié)點將自己作為簇頭，并廣播消息；若有，則非簇頭節(jié)點選擇最 近的簇頭發(fā)送入簇請求，簇頭收到入簇請求后建立TDMA時刻表并回復各成員；(3)路由建立，同區(qū)域簇頭相互不通信，距匯聚節(jié)點大于設定的距離閾值屯的區(qū) 域的簇頭按向距匯聚節(jié)點最近區(qū)域的簇頭發(fā)送路由請求，收到請求消息的簇頭回復確認消 息；當簇頭距離匯聚節(jié)點在設定的距離閾值屯范圍內，則直接與匯聚節(jié)點通信；(4)數(shù)據(jù)傳輸，非簇頭節(jié)點收集數(shù)據(jù)，發(fā)送給所在簇的簇頭節(jié)點；簇頭節(jié)點對數(shù)據(jù) 融合處理后交給下一跳節(jié)點，直到匯聚節(jié)點；循環(huán)(2)至(4)步至網(wǎng)絡失效。優(yōu)選地，所述區(qū)域是以匯聚節(jié)點為圓心，以多個不同長度為半徑的相鄰圓周線之 間圍成的各圓環(huán)帶；所述區(qū)域差半徑IV為形成相鄰圓周的兩個半徑之差的絕對值。優(yōu)選地，所述區(qū)域差半徑A與節(jié)點分布密度P的關系如下 r0=-——其中ch為簇頭數(shù)，j是包含在距離閾值屯范圍內的區(qū)域個數(shù)，P為
簇頭百分比，n為圓周率。優(yōu)選地，所述無線傳感器網(wǎng)絡新增節(jié)點不得超過無線傳感器網(wǎng)絡平均簇成員數(shù)
(l-p)/p的1/v即々<、~則區(qū)域差半徑A與和v的關系的關系如下 chv .r0>—^^―其中j是包含在距離閾值屯范圍內的區(qū)域個數(shù)，p為簇頭百分 比，n為圓周率，a為傳感器節(jié)點分布在的正方形的邊長。本發(fā)明由于各節(jié)點不需要周期性地報告所屬區(qū)域，只在初始化階段判斷并只告知 自己自身位置，所以這樣的定位能耗不僅不會給整個網(wǎng)絡帶來明顯的負擔而且可以基本忽 略；由匯聚節(jié)點發(fā)送控制消息，可以將網(wǎng)絡規(guī)模擴大到匯聚節(jié)點信號覆蓋的范圍；簇頭選 舉采取區(qū)域自治，即當某區(qū)域沒有產生簇頭時，該區(qū)域某節(jié)點會自動成為簇頭，對簇頭均勻 化分布起到補充作用；成簇時，非簇頭節(jié)點打破區(qū)域的束縛，尋找距離最近的簇頭入簇，節(jié) 省能量；簇間路由采用跨區(qū)多跳方式，節(jié)省簇頭能量消耗，推遲整個網(wǎng)絡節(jié)點死亡時間、平均分布死亡節(jié)點；算法對^可實現(xiàn)自定義，給出區(qū)域差半徑r(l與節(jié)點分布密度P的關系， 為不同密度的網(wǎng)絡確定^的值提供參考依據(jù)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、自定義區(qū)域差半徑值，理論上得到區(qū)域劃分的最優(yōu)方案；2、當簇頭分布明顯不均勻時，產生補充簇頭，使拓撲結構均勻化；3、簇間建立多跳路由，算法簡單，均衡能耗，死亡節(jié)點分布均勻；4、將網(wǎng)絡規(guī)模擴大到匯聚節(jié)點覆蓋的范圍內，適用大規(guī)模部署的網(wǎng)絡；5、延長了網(wǎng)絡有效時間，縮短從第一個節(jié)點死亡到網(wǎng)絡失效的時間；6、保留原LEACH中關于節(jié)點自主決定是否成為簇頭的特點，從而不需要全局信 息，減少通信能耗。
圖1簇頭跨一區(qū)多跳路由示意圖。圖2MATLAB隨機生成網(wǎng)絡節(jié)點拓撲圖。圖3LEACH第180輪死亡節(jié)點分布圖。圖4LEACH-CS第180輪死亡節(jié)點分布圖。圖5網(wǎng)絡生存時間曲線。圖6網(wǎng)絡總能耗曲線。圖7LEACH-CS網(wǎng)絡流程圖。圖8本發(fā)明流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明自定義的跨區(qū)多跳路由方法LEACH-CSLEACH 算法LEACH協(xié)議的基本思想是以隨機方式選舉簇頭節(jié)點，非簇頭節(jié)點將傳感到的數(shù)據(jù) 通過相應簇頭傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。為防止某節(jié)點長期擔任簇頭而耗能過多，LEACH定義了 “輪” 的概念，通過輪循環(huán)將整個網(wǎng)絡的能量負載平分到每個節(jié)點。每輪循環(huán)中，LEACH分為簇的 建立和數(shù)據(jù)通信兩個階段。在簇的建立階段，各節(jié)點生成一個0到1之間的隨機數(shù)，如果該數(shù)小于閾值T(n)， 則該節(jié)點被選為簇頭。T(n)的計算方法如下
P T{n) =
neG
l-P[rmod(l/P)]'(i)
0,n 笮 G其中，P是網(wǎng)絡中簇頭數(shù)占總節(jié)點數(shù)的百分比，r是選舉輪數(shù)，rmod(l/P)代表這一 輪循環(huán)中當選過簇頭的節(jié)點個數(shù)，G是這一輪循環(huán)中未當選過簇頭的節(jié)點集合。當節(jié)點選為簇頭后便主動廣播這一消息。非簇頭節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度 RSSI (Received Signal Strength Indicator)來決定加入哪個簇，并請求相應的簇頭。 當簇頭收到所有簇成員發(fā)送的信息后，根據(jù)簇內節(jié)點的數(shù)量創(chuàng)建TDMA(Time Division
5Multiple Access)時刻表答復每個節(jié)點何時開始傳輸數(shù)據(jù)。成簇后，穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段開始，非簇頭節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭，簇頭 對收到的數(shù)據(jù)進行融合處理后傳輸給匯聚節(jié)點。持續(xù)一段時間后，網(wǎng)絡進入新一輪循環(huán)。由此可見，LEACH協(xié)議采用層次結構，節(jié)點不需要存儲大量的路由信息，網(wǎng)絡相對 均衡地消耗能量。但通過研究發(fā)現(xiàn)LEACH協(xié)議也存在一些問題。首先，簇頭選舉由于隨機數(shù)產生的不穩(wěn)定性可能導致簇頭分布不合理和個數(shù)偏離 期望值；第二，簇頭與匯聚節(jié)點直接通信，遠離匯聚節(jié)點的簇頭能耗較大，死亡較早，死亡 分布不均勻；第三，節(jié)點的通信范圍有限，簇頭與匯聚節(jié)點的單跳方式限制了網(wǎng)絡覆蓋范圍，不 適用大規(guī)模部署的網(wǎng)絡；第四，多次的仿真結果顯示，從第一個節(jié)點死亡到網(wǎng)絡失效經(jīng)歷了一段較長的時 間，這一部分的能量可以更好地利用起來。針對以上問題，下一節(jié)主要從簇頭選舉、非簇頭節(jié)點入簇和簇間路由三個方面對 LEACH進行改進，以均衡網(wǎng)絡能耗、延長網(wǎng)絡有效期、擴大協(xié)議適用的網(wǎng)絡規(guī)模。自定義的跨區(qū)多跳路由方法一般來說，近距離節(jié)點之間的通信能耗少，通信質量也比較好。LEACH-CS協(xié)議就是 通過縮短通信節(jié)點間的距離來節(jié)省能量。在無線傳輸中，發(fā)射功率的衰減隨著傳輸距離的 增大而呈指數(shù)衰減。在算法分析過程中，本發(fā)明采用LEACH的提出者Heinzelman W等人應 用的信道傳輸模型，即自由空間模型和多路徑衰落模型。當發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距 離d小于某個值屯時，采用自由空間模型，發(fā)射功率呈d2衰減；否則采用多路徑衰減模型， 發(fā)射功率呈d4衰減。模型定義無線電路發(fā)送距離為dm的lbit消息消耗的能量為 相應地，接收這些信息消耗的能量為ERx(1, d) = EKx_elec(l，d) = lEelec (3)數(shù)據(jù)融合消耗的能量為EGx(l，d) = lEgather (4)以上式中，Eelec表示電路發(fā)送或接收lbit數(shù)據(jù)所消耗的能量；￡ fs為近距離發(fā)射 放大器參數(shù)、e fflp為遠距離發(fā)射放大器參數(shù)，e fsd2和￡ fflpd4為每放大lbit數(shù)據(jù)放大器消耗 的能量；EgathCT為每lbit數(shù)據(jù)融合處理消耗的能量；式(4)為將接收到的n個節(jié)點發(fā)送過來 的nX lbit數(shù)據(jù)融合成lbit數(shù)據(jù)所消耗的能量。式(2)中的dQ由下面式子決定 式⑵表明合適的傳輸距離對于節(jié)點節(jié)省發(fā)送能量有很大幫助。LEACH-CS選擇簇 頭間合適的傳輸距離的方法就是跨區(qū)多跳，其具體方案如下 (1)網(wǎng)絡初始化階段，匯聚節(jié)點向整個網(wǎng)絡廣播一個控制消息，各節(jié)點判斷接收到 該消息的信號強度RSSI，估算與匯聚節(jié)點的距離，根據(jù)預設的r(l來標識自己所屬區(qū)域；(2)簇的建立階段，當節(jié)點產生的0 1之間的隨機數(shù)小于閾值T(n)時，該節(jié)點當 選簇頭并廣播自己是簇頭的消息，非簇頭節(jié)點根據(jù)收到的廣播消息判斷自己所屬區(qū)域是否 已產生簇頭。若沒有，則自己作為簇頭，并廣播消息；若有，則采用就近原則選擇最近的簇頭 發(fā)送入簇請求(被選的簇頭不一定與自己同區(qū)域)。簇頭收到入簇請求后建立TDMA時刻表 并回復各成員；(3)路由建立階段，同區(qū)域簇頭相互不通信，距匯聚節(jié)點較遠區(qū)域的簇頭按最近原 則向距匯聚節(jié)點較近區(qū)域的簇頭發(fā)送路由請求，收到請求消息的簇頭回復確認消息。當簇 頭距離匯聚節(jié)點屯范圍內，便直接與匯聚節(jié)點通信。值得注意的是，簇頭下一跳的選擇可以是相鄰區(qū)、跨一區(qū)或跨更多區(qū)的最近簇頭， 這取決于A和屯的關系。一般情況，如當A等于屯時，鄰區(qū)傳遞；當屯是r(l的兩倍時，跨 一區(qū)傳遞；當屯是r(l的三倍時，跨兩區(qū)傳遞等?？鐓^(qū)一方面提供更多距近匯聚節(jié)點屯范 圍內的簇頭來分擔數(shù)據(jù)傳輸能耗，另一方面縮小區(qū)域邊緣可能形成的盲區(qū)帶。如圖1，設定 Zonel和Zone2合為a區(qū)，Zone3和Zone4合為0區(qū)，Zone5和Zone6合為、區(qū)，且不采用 跨區(qū)路由，則0、Y區(qū)按照鄰區(qū)最近原則建立路由，這樣本來由Zonel和Z0ne3中簇頭中繼 的數(shù)據(jù)將分別由Z0ne2和Z0ne4中簇頭中繼，這樣Z0ne2和Z0ne4區(qū)中的簇頭能耗將增加， 導致a、0分區(qū)一側的節(jié)點死亡較早，形成盲區(qū)帶。(4)數(shù)據(jù)傳輸階段，非簇頭節(jié)點收集數(shù)據(jù)，發(fā)送給所在簇的簇頭節(jié)點。簇頭對數(shù)據(jù) 融合處理后交給下一跳節(jié)點，直到匯聚節(jié)點。循環(huán)(2)至(4)步至網(wǎng)絡失效。從上述步驟中可見，由于各節(jié)點不需要周期性地報告所屬區(qū)域，只在初始化階段 判斷并只告知自己自身位置，所以這樣的定位能耗不僅不會給整個網(wǎng)絡帶來明顯的負擔而 且可以基本忽略。且由匯聚節(jié)點發(fā)送控制消息，可以將網(wǎng)絡規(guī)模擴大到匯聚節(jié)點信號覆蓋 的范圍。算法中，簇頭選舉采取區(qū)域自治，即當某區(qū)域沒有產生簇頭時，該區(qū)域某節(jié)點會自 動成為簇頭，對簇頭均勻化分布起到補充作用；而在成簇時，非簇頭節(jié)點打破區(qū)域的束縛， 尋找距離最近的簇頭入簇，節(jié)省能量；簇間路由采用跨區(qū)多跳方式，節(jié)省簇頭能量消耗，推 遲整個網(wǎng)絡節(jié)點死亡時間、平均分布死亡節(jié)點。此外，算法對^可自定義，下一節(jié)將詳細描 述^與節(jié)點分布密度P的關系，為不同密度的網(wǎng)絡確定^的值提供參考依據(jù)。區(qū)域差半徑&與節(jié)點分布密度P的關系根據(jù)節(jié)點分布密度P選擇合適的區(qū)域差半徑A可以在理論上使得網(wǎng)絡發(fā)揮更好 的能效。若P很大^很小，區(qū)域數(shù)就會較多，而簇頭補充會使得簇頭數(shù)增加，造成不必要 的簇間路由消耗，也會影響原始數(shù)據(jù)收集量；若P很大^很大，區(qū)域數(shù)不多但每區(qū)節(jié)點非 常多，簇間路由負擔會加大；反之，若P很小，則節(jié)點布局很稀疏，使用新算法的必要性就 不大。所以，A與P的關系可以相互參考?，F(xiàn)假設傳感器節(jié)點分布在一個邊長為a的正方形內，如圖1所示。則第i區(qū)域的 面積Si表示為
各區(qū)域節(jié)點數(shù)叫為
n, = S, P 各區(qū)域簇頭數(shù)(印為 CHj = rijp其中p為簇頭百分比。r(l的選擇對近匯聚節(jié)點范圍內的區(qū)域影響較大，因此由式 (6)的第一種情形及式(7)、⑶得，距匯聚節(jié)點屯范圍內的簇頭總數(shù) 為
(9)其中j是包含在屯范圍內的區(qū)域個數(shù)，則在建立簇間路由時可選擇跨(j_l)個區(qū)， 即當j = 1時，鄰區(qū)傳遞；j = 2時，跨一區(qū)傳遞；j = 3時，跨兩區(qū)傳遞。特別地，當j = 0 時，已不能保證區(qū)域間簇頭有合適的通信距離，新算法不適合這種情形。然而隨著網(wǎng)絡布局 規(guī)模的擴大，這j個區(qū)域的簇頭會因接收到其它簇頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)而增加較多能耗。因此，這 些區(qū)域應當產生一定量的簇頭數(shù)ch來分擔其它區(qū)域簇頭傳來的數(shù)據(jù)量。由此，&與P的 關系可有下式確定Nj = ch將式(9)代入上式得
(10)式中ch可以根據(jù)實際情況自定義，也可以由以下方法確定令Nch = a2 P pNch表示全網(wǎng)絡總簇頭數(shù)。近匯聚節(jié)點的ch個簇頭接收由其它簇頭發(fā)送來的數(shù)據(jù) 所消耗的能量，等同于這ch個節(jié)點新接受了簇內成員，但是必須對接受的數(shù)量加以限制。 而整個網(wǎng)絡平均簇成員數(shù)為(l-p)/p，設新增成員不得超過其l/v，v可據(jù)實際情況自定義。則有以下關系式
由式(10)和式(11)可以消去ch得 2a
至此，式(10)提供了 &和P的關系，式(12)則提供了 A和v的關系，實際環(huán)境 中參考兩式可使網(wǎng)絡發(fā)揮較好的效能。性能分析與評價為了評估LEACH-CS算法的性能，本節(jié)通過MATLAB仿真平臺下的模擬實驗將其與 現(xiàn)有的LEACH算法進行比較分析。仿真環(huán)境及參數(shù)配置假設200mX 200m的正方形中隨機分布500個節(jié)點，匯聚節(jié)點位于正方形的右上角 (如圖2)。具體仿真參數(shù)如表1所示。表1仿真參數(shù) 由表1知，在整個網(wǎng)絡中每輪簇頭數(shù)約為25，現(xiàn)將這25個簇頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分擔到 3個或4個近匯聚節(jié)點簇頭上，即油=3或油=4。將相關參數(shù)代入式(10)中，計算得表 2。若以式(12)計算，則相當于v = 2或v = 3，即不得超過平均簇成員數(shù)的1/2或1/3。表2中&的值都是可取值，實驗中取A = 45。表2ch = 3和ch = 4時的rQ取值情況 仿真設定網(wǎng)絡運行輪循環(huán)周期為20s，普通節(jié)點每2s收集一次數(shù)據(jù)轉發(fā)給簇頭， 即每周期普通節(jié)點發(fā)送10次數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點接收、融合和發(fā)送10次數(shù)據(jù)。設定LEACH和 LEACH-CS的網(wǎng)絡節(jié)點初始能量、拓撲結構一樣，規(guī)定當網(wǎng)絡中80%的節(jié)點無法工作即認為 該網(wǎng)絡不可用。性能評價標準仿真實驗將改進的路由算法和原LEACH在相同的仿真環(huán)境和網(wǎng)絡參數(shù)配置下進 行測試。從多個方面對跨區(qū)多跳和原有方式的路由表現(xiàn)進行比較，具體包括網(wǎng)絡壽命；節(jié)點死亡個數(shù)和分布；第一個節(jié)點死亡至網(wǎng)絡無效的時間；網(wǎng)絡累計能耗的變化情況；仿真結果如圖3至圖6及表3所示，分別對比兩種協(xié)議的網(wǎng)絡壽命、死亡節(jié)點分布 和特定數(shù)量節(jié)點的死亡時間等。表3LEACH-CS和LEACH兩種協(xié)議的節(jié)點死亡狀況統(tǒng)計 實驗性能分析圖3和圖4分別是LEACH協(xié)議和LEACH-CS協(xié)議在第180輪時節(jié)點死亡情況?？?以看出，在網(wǎng)絡拓撲和節(jié)點初始能量相同的情況下，LEACH-CS死亡節(jié)點個數(shù)比LEACH少，且 分布均勻。圖3中，LEACH簇頭與匯聚節(jié)點直接通信消耗能量較大，所以距匯聚節(jié)點較遠的 節(jié)點都較早死亡。圖4中，因LEACH-CS采用自定義分區(qū)的跨區(qū)多跳路由機制，節(jié)省了距匯 聚節(jié)點較遠簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)的能量，使得所有簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量基本接近，所以在多 輪循環(huán)后大多數(shù)節(jié)點依然存活，且死亡節(jié)點分布均勻。此外，LEACH死亡節(jié)點集中造成了監(jiān)測盲區(qū)，實際上已失去了監(jiān)測的意義，而LEACH-CS依然能保持監(jiān)測范圍的普遍覆蓋。
圖5和圖6分別是兩種協(xié)議在各輪次存活節(jié)點數(shù)目和網(wǎng)絡總能耗的曲線圖。從圖 5可以看到，LEACH-CS明顯推遲了節(jié)點死亡時間，但其曲線總體上有靠近LEACH的趨勢。表 2也顯示了這一現(xiàn)象，LEACH-CS第一個節(jié)點死亡時間是LEACH的2. 86倍，隨著時間的推移， 倍數(shù)減少，百分之八十的節(jié)點死亡時間僅為LEACH的1.06倍。這是因為在網(wǎng)絡初期，節(jié)點 能量充足，LEACH-CS簇頭雖然消耗了路由控制消息的能量，但是節(jié)省下了更多的能量用于 數(shù)據(jù)傳輸，所以節(jié)點死亡個數(shù)增長緩慢。然而到了網(wǎng)絡后期，因節(jié)點能量所剩無幾，此時的 路由控制信息能耗會明顯增加節(jié)點負擔，加快節(jié)點死亡。但LEACH-CS總能耗變化率始終比 LEACH變化小(如圖6)，這說明LEACH-CS每輪循消耗的能量都是均衡的，不會因簇頭距離 匯聚節(jié)點遠近而使網(wǎng)絡能耗變化不定。所以LEACH-CS延長了網(wǎng)絡有效時間，網(wǎng)絡出現(xiàn)大面 積監(jiān)控盲區(qū)的時間短。
權利要求
一種自定義的無線傳感器網(wǎng)絡跨區(qū)多跳路由方法，其特征在于包括如下步驟(1)網(wǎng)絡初始化，匯聚節(jié)點向整個無線傳感器網(wǎng)絡廣播一個控制消息，各節(jié)點判斷接收到該消息的信號強度RSSI，估算與匯聚節(jié)點的距離，根據(jù)預設的區(qū)域差半徑r0來標識各節(jié)點所屬區(qū)域；(2)簇的建立，當節(jié)點產生的0～1之間的隨機數(shù)小于閾值T(n)時，該節(jié)點當選簇頭并廣播自己是簇頭的消息，非簇頭節(jié)點根據(jù)收到的廣播消息判斷自己所屬區(qū)域是否已產生簇頭若沒有，則非簇頭節(jié)點將自己作為簇頭，并廣播消息；若有，則非簇頭節(jié)點選擇最近的簇頭發(fā)送入簇請求，簇頭收到入簇請求后建立TDMA時刻表并回復各成員；(3)路由建立，同區(qū)域簇頭相互不通信，距匯聚節(jié)點大于設定的距離閾值d0的區(qū)域的簇頭按向距匯聚節(jié)點最近區(qū)域的簇頭發(fā)送路由請求，收到請求消息的簇頭回復確認消息；當簇頭距離匯聚節(jié)點在設定的距離閾值d0范圍內，則直接與匯聚節(jié)點通信；(4)數(shù)據(jù)傳輸，非簇頭節(jié)點收集數(shù)據(jù)，發(fā)送給所在簇的簇頭節(jié)點；簇頭節(jié)點對數(shù)據(jù)融合處理后交給下一跳節(jié)點，直到匯聚節(jié)點；循環(huán)(2)至(4)步至網(wǎng)絡失效。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種自定義的無線傳感器網(wǎng)絡跨區(qū)多跳路由方法，其特征在 于所述區(qū)域，是以匯聚節(jié)點為圓心，以多個不同長度為半徑的相鄰圓周線之間圍成的各圓 環(huán)帶；所述區(qū)域差半徑Α，為形成相鄰圓周的兩個半徑之差的絕對值。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種自定義的無線傳感器網(wǎng)絡跨區(qū)多跳路由方法，其特 征在于所述區(qū)域差半徑A與節(jié)點分布密度P的關系如下 其中ch為簇頭數(shù)，j是包含在距離閾值Cltl范圍內的區(qū)域個數(shù)，ρ為簇頭 J、百分比，η為圓周率。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種自定義的無線傳感器網(wǎng)絡跨區(qū)多跳路由方法，其特征 在于所述無線傳感器網(wǎng)絡新增節(jié)點不得超過無線傳感器網(wǎng)絡平均簇成員數(shù)即 P則區(qū)域差半徑r()與和ν的關系的關系如下 其中j是包含在距離閾值屯范圍內的區(qū)域個數(shù)，P為簇頭百分比，為圓周率，a為傳感器節(jié)點分布在的正方形的邊長。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種自定義的無線傳感器網(wǎng)絡跨區(qū)多跳路由方法，屬于計算機通信網(wǎng)絡領域。本發(fā)明根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡中分簇路由算法和輪循環(huán)的特點，引入“區(qū)域”的概念，由匯聚節(jié)點向整個網(wǎng)絡廣播一個控制消息，各節(jié)點根據(jù)收到的信號強度確定自己所屬的區(qū)域，通過區(qū)域的限制來避免相距較遠的節(jié)點間直接通信。在網(wǎng)絡輪循環(huán)過程中，當某區(qū)域選舉簇頭失敗時網(wǎng)絡在該區(qū)域產生補充簇頭，建立簇間路由時以跨區(qū)距離的約束來自定義合適的多跳路由方案。本發(fā)明可以提高網(wǎng)絡的生存時間，更好地平衡網(wǎng)絡的節(jié)點能耗，均勻死亡節(jié)點的分布，也擴大協(xié)議適用的網(wǎng)絡規(guī)模。
文檔編號H04W40/02GK101854666SQ201010159049
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權日2010年4月27日
發(fā)明者張芃, 曹磊, 沈航, 白光偉, 陶金晶, 顧躍躍 申請人:南京工業(yè)大學