一種動態(tài)k值分簇路由方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種動態(tài)k值分簇路由方法，本發(fā)明在每個周期的第1輪劃分網(wǎng)絡的分簇結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合當前網(wǎng)絡分簇情況和能量分布計算出一個網(wǎng)絡有效k值，并在接下來的k輪內(nèi)保持分簇結(jié)構(gòu)不變，只在簇內(nèi)進行簇頭的更新。k值在每個周期開始時都會重新計算，因此網(wǎng)絡周期的輪數(shù)是動態(tài)變化的；通過動態(tài)設置網(wǎng)絡分簇周期，可以有效降低不良分簇結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡性能的影響，提高網(wǎng)絡節(jié)點的能量利用率，有效均衡簇內(nèi)節(jié)點的負載。
【專利說明】一種動態(tài)k值分族路由方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由協(xié)議領(lǐng)域，特別是一種動態(tài)k值分簇路由方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在無線傳感器網(wǎng)絡中，分布在網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點負責采集環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)周期性地發(fā)送給基站。由于傳感器節(jié)點能量有限，每次采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的操作都 會消耗一定的能量。隨著網(wǎng)絡的運行，越來越多的節(jié)點由于能量耗盡而死亡，導致網(wǎng)絡的性 能不斷下降甚至癱瘓。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點都是通過直接與基站進行通信來傳 送采集的數(shù)據(jù)，而且能耗大小與節(jié)點到的基站距離成正比，這一過程需要消耗大量能量。為 了使得節(jié)點能量更多地用于數(shù)據(jù)采集，需要在無線傳感器網(wǎng)絡中引入路由協(xié)議，這也成為 了無線傳感器領(lǐng)域的一個研究熱點。
[0003] 目前已有很多基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能路由協(xié)議被提了出來，從網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu) 的角度可以大體將它們分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。平面路由協(xié)議中，各個網(wǎng)絡節(jié) 點的地位是平等的，它們通過相互之間的局部操作和信息反饋來生成路由。在這類協(xié)議中， 目的節(jié)點向監(jiān)測區(qū)域的節(jié)點發(fā)出查詢命令，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點收到查詢命令后，向目的節(jié) 點發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。平面路由協(xié)議由于各個節(jié)點地位平等，所以網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、易擴展，不易 產(chǎn)生瓶頸效應，但是由于缺少管理節(jié)點，因而缺乏對通信數(shù)據(jù)的優(yōu)化，自組織協(xié)同工作算法 也很復雜，對網(wǎng)絡動態(tài)變化反應速度較慢，典型的平面路由協(xié)議有SPIN、SAR等。
[0004] 相比較平面路由協(xié)議，分簇路由協(xié)議中的網(wǎng)絡被劃分成多個簇，每個簇由普通節(jié) 點和簇頭節(jié)點組成。普通節(jié)點完成數(shù)據(jù)的收集并將數(shù)據(jù)發(fā)往簇頭，簇頭節(jié)點負責簇內(nèi)成員 節(jié)點和數(shù)據(jù)信息的管理以及數(shù)據(jù)的簇間轉(zhuǎn)發(fā)，另外簇頭還可以協(xié)調(diào)簇內(nèi)成員節(jié)點之間的工 作。分簇路由協(xié)議的優(yōu)點是簇頭融合了節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)然后再轉(zhuǎn)發(fā)，可以大大減少網(wǎng)絡 中的通信量，成員節(jié)點功能比較簡單，無須維護路由信息。同時與平面路由相比，更容易克 服傳感器節(jié)點移動帶來的問題。
[0005] 分簇路由協(xié)議按照數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可以分為單跳分簇路由協(xié)議和多跳分簇 路由協(xié)議。單跳分簇路由協(xié)議的典型特點是：網(wǎng)絡中的簇頭在收集到各個成員節(jié)點發(fā)送來 的數(shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)融合后直接發(fā)送給基站。而在使用多跳分簇路由協(xié)議的網(wǎng)絡中，簇頭節(jié) 點會將成員節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行融合后發(fā)送給上一層簇頭節(jié)點，數(shù)據(jù)會經(jīng)由設計好的路 徑傳輸給基站。多跳分簇路由協(xié)議的典型特點是，簇頭節(jié)點不僅負責本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，同 時還負責下層節(jié)點簇的數(shù)據(jù)傳輸。
[0006] 在采用了單跳分簇路由協(xié)議的網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡中的節(jié)點分工明確：普通節(jié)點負責收 集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給所在簇的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點負責接收簇內(nèi)成員節(jié)點采集的數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)融合后直接發(fā)送給基站，同時在局部選簇時，負責選擇新簇頭，然后在簇內(nèi)廣播包 含時隙信息和新簇頭信息的消息報文。
[0007] LEACH-C協(xié)議是典型的單跳分簇路由協(xié)議。在使用LEACH-C協(xié)議的網(wǎng)絡中，基站每 次收集到一輪所有節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)后，會進行重新分簇。重新分簇時，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點 都必須要將自身的信息發(fā)送給基站，該協(xié)議直接的缺點就是頻繁的分簇操作導致節(jié)點消耗 不必要的能量。為此有研究人員提出LEACH-EB協(xié)議，在LEACH-EB協(xié)議中，網(wǎng)絡周期擴展為 1+k輪。在每個周期內(nèi)，第一輪進行簇頭選擇并劃分網(wǎng)絡分簇結(jié)構(gòu)，然后在接下來的k輪保 持分簇結(jié)構(gòu)不變，只在各個簇內(nèi)進行簇頭更新。通過這種方式可以有效減少網(wǎng)絡分簇操作 的次數(shù)，從而延長了網(wǎng)絡的生命周期。但是LEACH-EB協(xié)議中的k值是固定不變的，由于在 信息收集過程中節(jié)點能量分布是實時變動的，同時每個周期的分簇結(jié)構(gòu)都是變化的，采用 固定k值難以滿足網(wǎng)絡動態(tài)變化的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對現(xiàn)有LEACH-EB協(xié)議的不足，提出了一種動態(tài)k值分簇路由方法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種動態(tài)k值分簇路由方法，包括如下步驟：
[0010] 步驟1，在監(jiān)測區(qū)域部署基站和傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點開始工作并自組織形成無 線傳感器網(wǎng)絡；
[0011] 步驟2,網(wǎng)絡中的所有節(jié)點向基站發(fā)送包括自身位置和剩余能量信息的數(shù)據(jù)包； 基站收集到所有節(jié)點的數(shù)據(jù)包后，計算當前網(wǎng)絡中存活節(jié)點的剩余能量平均值E_ rage，并選 擇節(jié)點剩余能量高于EavOTage;的節(jié)點作為候選簇頭，生成候選簇頭集合；
[0012] 步驟3,基站求解最佳分簇方式，同時計算合理的網(wǎng)絡有效k值，并將這些信息廣 播；
[0013] 步驟4,網(wǎng)絡中的節(jié)點接收到基站廣播的分簇信息包后，查找自身所在簇的簇頭 ID ;如果自身ID與所在簇的簇頭ID相同，則節(jié)點自身當選為簇頭，同時節(jié)點根據(jù)簇頭ID遍 歷分簇消息包，收集簇內(nèi)所有成員節(jié)點的ID信息；如果節(jié)點收到分簇信息包后發(fā)現(xiàn)自身為 普通節(jié)點，那么節(jié)點進入等待狀態(tài)，直到收到所在簇的簇頭廣播消息報文，其中包含簇內(nèi)各 節(jié)點的分配時隙，簇內(nèi)節(jié)點從消息報文中獲取自身發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙；
[0014] 步驟5,進入數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定階段，簇內(nèi)節(jié)點在指定時隙發(fā)送自身收集的數(shù)據(jù)信息 給所在簇的簇頭，簇頭收到所有成員節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)進行融合并轉(zhuǎn)發(fā)送給 基站，穩(wěn)定階段結(jié)束后轉(zhuǎn)步驟6 ;
[0015] 步驟6,網(wǎng)絡已完成一個周期的第1輪，隨后進入局部選簇流程，即在接下來的k輪 保持分簇結(jié)構(gòu)不變，只在每個簇內(nèi)進行簇頭更新。局部選簇結(jié)束后轉(zhuǎn)步驟7 ;
[0016] 步驟7,判斷網(wǎng)絡中節(jié)點是否全部死亡，是則結(jié)束當前流程，否則轉(zhuǎn)步驟2。
[0017] 作為優(yōu)選，所述的步驟3中，基站遍歷候選簇頭集合，基于所有簇內(nèi)成員節(jié)點到簇 頭距離平方和最小的原則，采用模擬退火算法求解出最佳的分簇方式。
[0018] 作為優(yōu)選，所述的步驟3中，根據(jù)網(wǎng)絡分簇情況和節(jié)點能量分布計算出一個合理 的網(wǎng)絡有效k值，所述的合理的網(wǎng)絡有效k值的計算方法如下：
[0019] 假設第1輪選簇完成后網(wǎng)絡中有m個簇，簇的編號分別為Ci、C2、…、Cm，每個簇中 的節(jié)點個數(shù)分別為K、N2.....Nm，簇頭節(jié)點編號分別為(^、01 2.....CHm，對于第i個簇，簇 中隊個節(jié)點的編號分別為Cn、Ci2、…、ClN,，為了計算網(wǎng)絡有效k值，本方法引入"平行簇 頭"、"簇內(nèi)有效k值"和"網(wǎng)絡有效k值"的概念。
[0020] 本方法依據(jù)公式（1)計算節(jié)點擔任簇頭的能力；

【權(quán)利要求】
1. 一種動態(tài)k值分簇路由方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，在監(jiān)測區(qū)域部署基站和傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點開始工作并自組織形成無線傳 感器網(wǎng)絡； 步驟2,網(wǎng)絡中的所有節(jié)點向基站發(fā)送包括自身位置和剩余能量信息的數(shù)據(jù)包；基站 收集到所有節(jié)點的數(shù)據(jù)包后，計算當前網(wǎng)絡中存活節(jié)點的剩余能量平均值Earaage，并選擇節(jié) 點剩余能量高于Eavwagei的節(jié)點作為候選簇頭，生成候選簇頭集合； 步驟3,基站求解最佳分簇方式，同時計算合理的網(wǎng)絡有效k值，并將這些信息廣播； 步驟4,網(wǎng)絡中的節(jié)點接收到基站廣播的分簇信息包后，查找自身所在簇的簇頭ID;如 果自身ID與所在簇的簇頭ID相同，則節(jié)點自身當選為簇頭，同時節(jié)點根據(jù)簇頭ID遍歷分 簇消息包，收集簇內(nèi)所有成員節(jié)點的ID信息；如果節(jié)點收到分簇信息包后發(fā)現(xiàn)自身為普通 節(jié)點，那么節(jié)點進入等待狀態(tài)，直到收到所在簇的簇頭廣播消息報文，其中包含簇內(nèi)各節(jié)點 的分配時隙，簇內(nèi)節(jié)點從消息報文中獲取自身發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙； 步驟5,進入數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定階段，簇內(nèi)節(jié)點在指定時隙發(fā)送自身收集的數(shù)據(jù)信息給所 在簇的簇頭，簇頭收到所有成員節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)進行融合并轉(zhuǎn)發(fā)給基站，穩(wěn) 定階段結(jié)束后轉(zhuǎn)步驟6 ; 步驟6,網(wǎng)絡已完成一個周期的第1輪，隨后進入局部選簇流程，即在接下來的k輪將保 持分簇結(jié)構(gòu)不變，只在每個簇內(nèi)進行簇頭更新；局部選簇結(jié)束后轉(zhuǎn)步驟7 ; 步驟7,判斷網(wǎng)絡中節(jié)點是否全部死亡，是則結(jié)束當前流程，否則轉(zhuǎn)步驟2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)k值分簇路由方法，其特征在于：所述的步驟3中， 基站遍歷候選簇頭集合，基于所有簇內(nèi)成員節(jié)點到簇頭距離平方和最小的原則，采用模擬 退火算法求解出最佳的分簇方式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)k值分簇路由方法，其特征在于，所述的步驟3中， 根據(jù)網(wǎng)絡分簇情況和節(jié)點能量分布計算出一個合理的網(wǎng)絡有效k值，所述的合理的網(wǎng)絡有 效k值的計算方法如下： 假設第1輪選簇完成后網(wǎng)絡中有m個簇，簇的編號分別為C1、C2、…、Cm，每個簇中的節(jié) 點個數(shù)分別為N^N2.....Nm，簇頭節(jié)點編號分別為CH^CH2.....CHm，對于第i個簇，簇中Ni 個節(jié)點的編號分別為CilXi2、…、ClN,，為了計算網(wǎng)絡有效k值，本方法引入"平行簇頭"、"簇 內(nèi)有效k值"和"網(wǎng)絡有效k值"的概念； 本方法依據(jù)公式（1)計算節(jié)點擔任簇頭的能力；
其中Cij表示第i個簇中編號為j的節(jié)點，節(jié)T(Cij)表示點Cij的能力權(quán)值，E(Cij)表示 節(jié)點的剩余能量，dC1^bs表示節(jié)點到基站的距離，Dc^tiwrs表示節(jié)點到簇內(nèi)其他節(jié)點距離的 平方和，P為平衡因子，同時有：
其中Dcij^1表示第i個簇中編號為j的節(jié)點到編號為h的節(jié)點的距離；平衡因子p用 來調(diào)節(jié)節(jié)點到基站距離與節(jié)點在簇中位置對節(jié)點擔任簇頭的影響，P的值介于O到1之間； 定義1.平行簇頭：如果節(jié)點Cij的能力權(quán)值大于或等于所在簇的簇頭CHi的能力權(quán)值 T(CHi)，則該節(jié)點為簇的平行簇頭，即有T(Cij)彡T(CHi); 定義2.簇內(nèi)有效k值：網(wǎng)絡中單個簇可以進行局部簇頭更新的次數(shù)稱為該簇的簇內(nèi)有 效k值，如果簇Ci的平行簇頭個數(shù)為z，那么有k(Ci) =z; 依據(jù)定義1找出網(wǎng)絡中每個簇的平行簇頭，現(xiàn)假設簇Ci的平行簇頭個數(shù)為z，那么簇Ci 可以進行局部簇頭更新的次數(shù)為z，本方法將一個簇可以進行局部簇頭更新的次數(shù)作為該 簇的簇內(nèi)有效k值； 當簇頭是簇中能力權(quán)值最大的節(jié)點時，z的值為〇 ;本方法在計算簇內(nèi)有效k值時設置 了一個下限值X，改進的簇內(nèi)有效k值計算方法如下： k(Cj) =max{x,z} (2 ^x^ 5) (3) 其中下限值x取2到5之間的隨機整數(shù)； 定義3.網(wǎng)絡有效k值：網(wǎng)絡中一個周期內(nèi)所有簇進行簇頭更新的次數(shù)，記為NK; 通過公式（3)求出網(wǎng)絡中每個簇的簇內(nèi)有效k值，本方法將簇內(nèi)所有節(jié)點到基站距離 的平均值作為簇到基站的距離，將簇到基站的距離與網(wǎng)絡中簇到基站距離最大值的比值平 方，作為簇內(nèi)有效k值相對于網(wǎng)絡有效k值的權(quán)重因子；簇到基站距離的計算方法如公式 (4)所示；
其中Dq-cBS表不節(jié)點Cij到基站的距尚； 簇Ci權(quán)重因子的計算方法如公式（5)所示；
其中D(Ci)表不族Ci到基站的距尚，Dmax表不網(wǎng)絡中族到基站距尚的最大值； 結(jié)合公式（3)、（4)和（5)，推導出網(wǎng)絡有效k值的計算公式如下：
其中WF(Ci)表示簇Ci的權(quán)重因子，k(Ci)表示簇Ci的平行簇頭個數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種動態(tài)k值分簇路由方法，其特征在于：所述的p取值范 圍為0. 7到0. 9。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種動態(tài)k值分簇路由方法，其特征在于：所述的p取值為 0· 8。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)k值分簇路由方法，其特征在于，步驟6中，所述的 局部簇頭更新過程，包括如下步驟： 步驟6. 1，原簇頭遍歷簇內(nèi)成員列表，依據(jù)公式（1)和（2)計算成員節(jié)點的能力權(quán)值，選 擇能力權(quán)值最大的節(jié)點作為新簇頭，轉(zhuǎn)步驟6. 2 ; 步驟6. 2,原簇頭廣播新簇頭信息和時隙信息，簇內(nèi)成員更新相應的信息，然后進入數(shù) 據(jù)傳輸穩(wěn)定階段，轉(zhuǎn)步驟6. 3; 步驟6. 3,判斷是否完成了k輪的局部簇頭更新操作，是則轉(zhuǎn)步驟7,否則轉(zhuǎn)步驟6. 1。
【文檔編號】H04W40/10GK104469879SQ201410794524
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】吳黎兵, 聶雷, 杜錦, 彭紅梅, 鄒逸飛 申請人:武漢大學