[发明专利]一种多感知不等半径无线传感网络路由实现方法

摘要

本发明公开了多感知不等半径无线传感网络路由实现方法，包括设计阶段与实施阶段；设计阶段包括分区域阶段、簇头选举及建簇阶段、多跳路由建立阶段与稳定通信阶段。本发明的有益效果是，能有效降低节点通信代价、均衡网络能耗。不仅能均衡各节点的能耗，而且在工作中更为节能，这是因为采用了双簇头和非均衡分簇的思想，在距离Sink节点较远的区域，分簇半径较大，簇的规模大，双簇头可以由两个簇头来分担数据收集汇总和通信的能耗；而距离Sink节点较近的区域，分簇半径较小，比远区的簇多，所以会有较多的簇头可以分担簇间多跳而产生的转发能耗，很好的均衡了网络中的能耗。可以很好地均衡网络能耗，延长网络生命周期。

主权项

1.一种多感知不等半径无线传感网络路由实现方法，其特征在于，包括设计阶段与实施阶段；设计阶段包括分区域阶段、簇头选举及建簇阶段、多跳路由建立阶段与稳定通信阶段；所述设计阶段具体按照以下步骤实施：(1)分区域阶段分区域阶段只执行一次，完成监测区域的分区；在此阶段，基站以恒定的功率广播一个信标数据包，同时设置计时器，等待监测区域内各传感器节点传回回复信息，若计时器超时，基站重新广播信标数据包；监测区域内的传感器节点在接收到基站发出的信标数据包后首先判断该数据包的发送路径是否成环，若成环则丢弃该信标数据包，否则记录下接收到该信标数据包的跳数并将其加1后再转发给相邻传感器节点，若传感器节点接收到多个信标数据包，则仅记录下最小跳数并将其加1后转发，其余接收到的信标数据包均丢弃；当信标数据包在网络内洪泛后则所有传感器节点都获得了自己的邻居传感器节点的跳数、距离信息；传感器节点根据接收到的信标数据包中包含的跳数和接收信标数据包的信号强度来判断与基站之间的距离远近、确定自身与基站通信的功率大小；随后传感器节点将这些信息发送回基站；基站根据收到的传感器节点回复信息，按照一定的规则把监测区域划分成不同的区域，每个区域赋予一个固定的区域ID号，离基站越近的区域ID号越小；最后基站将分区信息进行广播，传感器节点收到广播信息后确定自己属于哪个区域，然后保存自己所在的区域ID号；(2)簇头选举及建簇阶段在簇头选举前，根据网络的传感器节点数目、传感器节点到汇聚节点的距离、网络覆盖区域大小参数先确定传感器节点成为候选簇头的概率；进行区域的划分后，根据传感器节点的剩余能量、稀疏度传输链路质量参数来确定候选数据簇头，通过竞争产生最终的数据簇头，数据簇头产生后向全网广播其成为数据簇头的信息；普通传感器节点收到数据簇头广播的成簇消息后采用一种均衡分配的成簇策略选择合适的数据簇头发送入簇信息；簇建立好后，就进入通信簇头的选取阶段，通信簇头由数据簇头来决定，由于在传感器节点向数据簇头的应答消息中有自身剩余能量和与数据簇头的距离、与基站的距离信息，数据簇头根据这些信息选择合适的传感器节点成为通信簇头，通信簇头只负责数据转发，不进行数据感知和采集，至此，簇的建立正式完毕；簇一旦建立完成后，在本轮次时间内，簇结构不会再改变，至下一轮开始；(3)多跳路由建立阶段簇建立完毕后，在通信簇头间用多跳方式传送数据，在通信簇头发送数据时，根据各候选下一跳通信簇头的转发权值动态的选择下一跳通信簇头，从而平衡各通信簇头的能耗；(4)稳定通信阶段此阶段负责进行数据的采集与传输工作；由于分簇建立阶段会耗费大量的额外通信及计算能耗，所以稳定通信阶段的时间必须要大于分簇建立阶段的时间才能保证节约能耗；簇内节点按数据簇头分配给自己的发送信息时隙将数据发送至数据簇头，数据簇头收集到数据后运用数据融合技术来处理数据，完成数据融合后，数据簇头将处理好的数据转发给通信簇头，由通信簇头进行数据的传送与转发；在经过设定的时间后，网络进入下一个工作周期，重新在每个区域内建立新的簇，如此循环直至网络节点的能量耗尽；所述实施阶段具体按照以下步骤进行：(1)建立能耗模型：当向距离d处的传感器节点发送l字节的数据时，依据传输距离是否超过阈值d0分为两部分：当传输距离小于阈值d0时，采用自由空间模型；反之，则采用多路径衰减模型；ε_mp为多路衰减模型的功率放大系数；E_elect为发送或接收电路消耗的能量；ε_fs为自由空间模型的功率放大系数；d_toMCH为簇内传感器节点到数据簇头的距离；d_toVCH为数据簇头至通信簇头的距离；d_toVCH′为簇内通信簇头至下一跳中继通信簇头的距离；l为发送数据的比特数阈值E_DA表示数据融合所消耗的能量；则发送需要消耗的能量为：接收需要消耗的能量为：ERx(l)＝lEelect  (1‑2)假设在M×M的区域内部署有N个传感器节点，其中有k个簇，假设传感器节点是平均分配到每个簇内，即每个簇的传感器节点数目是一致的，则每个簇中有N/k个传感器节点，包括一个主簇头MCH，一个副簇头VCH和(N/k‑2)个传感器节点；在网络每轮的一个帧中，主簇头消耗的能量EMCH包括接收簇内传感器节点发送的数据包并融合自身数据消耗的能量，以及主簇头发送数据给副簇头所消耗的能量；副簇头消耗的能量EVCH包括发送数据包给基站和转发其他簇头的数据包消耗的能量；簇内传感器节点消耗的能量包括采集数据消耗的能量和发送数据到主簇头的能量；假设簇内通信的距离不超过阈值d0，簇头间通信的距离也不超过阈值d0；所以主簇头所消耗的总能量EMCH用公式(1‑3)来表示：副簇头消耗的总能量EVCH用公式(1‑4)来表示：簇中每个传感器节点消耗的总能量用公式(1‑5)来表示：一个簇中主簇头、副簇头和所有传感器节点消耗的总能量用公式(1‑6)来表示：k个簇消耗的总能量用公式(1‑7)来表示：(2)监测区域设计基站通过监测区域内各传感器节点返回的信息计算出它到监测区域的最远距离dmax与最近距离dmin：假设信号发射是全向的，在各个方向上都一致，那么把基站当做圆心，依据阈值d0划出一个个半径不等的同心圆环；监测区域必定包含在这些同心圆环里面；设每个圆环的宽度为wi，i的取值由1到n，n为划分的层数，由于层的大小不一致，所以wi的值是变动的；不同子区域的分簇半径不同，簇头的分簇半径与它自身与基站的距离成正比，离基站越近，分簇半径越小，反之越大，设Rmin为最小分簇半径，Rmax为最大分簇半径；设W是某个等差数列的和，根据等差数列前n项求和公式得W＝nw1+n(n‑1)d/2；其中n是划分的层数，由具体应用决定；设w1是第一层的宽度，w1＝Rmax且w1≤d0；等差数列的差值d在n、w1的值确定之后，由公式(1‑8)求出；d＝2(nRmax‑dmax+dmin)/n(n‑1)  (1‑8)由此得第i层区域的宽度为：wi＝w1+(i‑1)d＝w1+2(i‑1)(nRmax‑dmax+dmin)/n(n‑1)  (1‑9)根据各层的区域宽度wi，算出每层的上界和下界；上界：Ui＝Li+wi，i＝2...n  (1‑10)下界：Li＝Ui‑1，i＝2...n  (1‑11)其中，U1＝Rmax，L1＝0基站给各层赋予一个固定的区域ID号，离基站越近的区域ID号越小；最后基站将各层的上界值、下界值和各层的ID号用一个消息向全网广播；传感器节点接收这个广播消息后，根据自己离基站的近似距离来判断自己属于那个区域，同时保存自己所在的区域ID号；(3)簇头选择方法在选举时加入传感器节点剩余能量参数、传感器节点稀疏度参数和通讯链路质量参数，让剩余能量高、传感器节点密度大及通讯链路质量好的传感器节点成为簇头的概率增大；在簇头选举时，设γ为传感器节点Ci的剩余能量参数，是传感器节点Ci当前剩余能量EM和传感器节点初始能量Estart的比值，用公式(1‑12)表示：设μ为传感器节点稀疏度参数，表示传感器节点密度；假设传感器节点Ci的通信半径为R，邻节点数为n，邻节点与传感器节点Ci的距离为di，则传感器节点Ci的稀疏度参数用公式(1‑13)来表示：传感器节点传输通讯链路质量参数代表的是传感器节点传输通讯链路质量的好坏，传感器节点传输通讯链路质量的好坏用分组重传请求的次数来表示，分组重传的请求次数从MAC层的信息中获取；设Ri为传感器节点Ci收到的分组重传请求次数，R′max为传感器节点Ci收到的最大分组重传次数，于是传感器节点Ci节点的传输通讯链路质量参数τ表示为公式(1‑14)：T(n)通过公式(1‑15)进行计算；式中，p是簇头数目与总传感器节点数的百分比，LEACH中默认为0.05；r是当前工作轮数、G是本轮次中未当选过簇头的节点集；t1+t2+t3＝1，t1、t2、t3是权重参数，t1的值比其他两个值大；p值是按照预先假定的传感器节点数量、网络范围、基站位置计算出的最优值，按照最小化总能耗的原则，计算p最优值的公式，如公式(1‑16)所示：在每轮最后一次簇头接收簇内传感器节点数据时统计簇内现有传感器节点数目，然后把这个数目发送给基站；基站在收到各个簇头发来的现有各簇传感器节点数目后进行统计，若传感器节点数目发生急剧变化，则重新计算p值，然后通过广播的方式告知网络中所有的传感器节点；(4)数据簇头的选举簇头的分簇半径用公式(1‑17)来表示；Rc＝cwi  (1‑17)即簇头的分簇半径Rc由簇头所在层的宽度决定，Rmin≤Rc≤Rmax，是一个0～1之间的参数；每个候选簇头根据公式(1‑17)计算各自的分簇半径；各分层区域采用相同的方式进行数据簇头的选举；距离基站较远的簇，簇半径大，簇内成员较多，距离基站较近的簇，簇半径小，簇成员比较少，但簇头需要承担更多的多跳转发任务；采取分布式选举方法，传感器节点在本地计算自己的T(n)值，T(n)越大则成为候选簇头的概率越大，所以当传感器节点的剩余能量越大、密度越高、通讯链路质量越好，那么它成为候选簇头的机率就越大；候选簇头在局部区域中通过竞争来确定最终的数据簇头；未成为候选簇头的节点进入睡眠状态，直到数据簇头竞选过程结束；在竞选过程中，候选簇头在自己的广播时刻到来时广播竞争消息；其他候选簇头收到竞争消息后处理如下：假设候选簇头CHi接收到候选簇头CHj的广播消息后，首先比较广播信息中候选簇头所属层号，如候选簇头CHj与自己不属于同一层区域，则不予理会，如果是同层区域内的候选簇头，则计算两者之间的距离看自己是否在CHj的竞争范围之内，如果在CHj的竞争范围内，则CHi退出竞争，成为非簇头节点并休眠等待簇头竞争过程结束；如果不在竞争范围内，则CHi继续认为自己是候选簇头，直到它的广播时刻到来广播竞争消息；循环上述处理过程，直到所有的数据簇头被选出；数据簇头选举完成后，数据簇头广播成簇消息，其余传感器节点收到成簇消息后根据成簇策略加入相应的簇，向数据簇头发送入簇信息；(5)通信簇头的选举在传感器节点加入数据簇头时，向数据簇头发送了JOIN‑CH报文，在这个报文里面包括传感器节点的剩余能量、节点密度、与数据簇头的距离信息；根据这些信息，数据簇头直接选取和确定通信簇头；数据簇头与通信簇头之间的最小距离设为dleast＝αR，R是数据簇头的竞争半径，α是控制数据簇头和通信簇头距离的参数，0＜α≤1；数据簇头根据接收到的JOIN‑CH报文，在节点密度高且距离自己满足最小距离dleast的传感器节点中选择距离基站最近且剩余能量最高的传感器节点来作为通信簇头，并向该传感器节点发送消息，通知该传感器节点被选为通信簇头；(6)成簇通信此阶段负责网络中进行数据的处理和传输工作；稳定通信阶段时间要远远长于分簇建立阶段时间；经过了数据簇头选举后，传感器节点经过对各数据簇头适宜度的判断选择最佳数据簇头加入；数据簇头收到普通节点的加入申请后进行确认，簇形成完毕，然后进行通信簇头的选取；通信簇头选取后，数据簇头根据簇内成员数量确定统一的时隙数，建立发送信息时隙表，然后广播为每个簇内成员分配的发送信息时隙；通信簇头选出后向全网广播一条包含自身标识、节点剩余能量、和其到汇聚节点距离的信息；收到该消息的其他通信簇头，根据收到的信号强度近似计算它们的距离；簇内传感器节点按分配好的发送信息时隙将数据发送至数据簇头，数据簇头收集到数据进行融合；随后数据簇头将处理好的数据转发给通信簇头，由通信簇头负责发送；通信簇头根据簇间混合多跳路由MMHBC方式来完成数据的发送和转发，直至数据被传送至基站；在经过设定的一段时间后，整个网络就进入下一个工作周期，重新进行每个区域内的成簇工作；具体如下：步骤1：基站通过监测区域内各传感器节点返回的信息计算出它到监测区域的最远距离dmax与最近距离dmin，然后把监测区域划分成不同的区域，每个区域赋予相应的ID号，随后将分区信息和各区ID号广播给各节点；监测区内各传感器节点接收这个广播消息后，根据自己离基站的近似距离来判断自己属于哪个区域，同时保存自己所在的区域ID号；此步骤只在网络初始化时进行，监测区域层次划分后就不再进行；步骤2：在数据簇头选举阶段，传感器节点计算自身的阈值T(n)，T(n)越大则其成为候选数据簇头的概率越大；步骤3：候选数据簇头以竞争半径Rc＝cwi进行正式数据簇头的竞争，竞争失败的候选数据簇头成为普通节点，进入休眠状态等待正式数据簇头的竞争过程结束；步骤4：当选的数据簇头广播消息，通知其他传感器节点其当选数据簇头的消息，并在消息中附带本身的剩余能量和到基站的距离信息；步骤5：未当选传感器节点接收到数据簇头的消息后，根据UUDEM成簇策略加入相应的数据簇头，完成簇的建立；步骤6：数据簇头根据接收到的普通节点的信息，在传感器节点密度高且距离自己满足最小距离dleast的传感器节点中选择距离基站最近且剩余能量最高的传感器节点来作为通信簇头；步骤7：簇进入稳定通信阶段，数据簇头根据簇内成员数量确定统一的时隙数，建立发送信息时隙表，然后广播为每个簇内成员分配的发送信息时隙；簇内各成员传感器节点负责数据的采集并将数据发送到数据簇头，数据簇头负责收集和融合这些数据，然后发送给通信簇头，由通信簇头负责发送；通信簇头根据簇间混合多跳路由方式来完成数据的发送和转发，直至数据被传送至基站；步骤8：当前轮次的稳定通信阶段结束后，进入下一轮次的循环，重新执行步骤2‑步骤7，直至网络生命期结束，网络停止工作；(7)报文设计报文类型为Setup报文、划分区域报文、反馈报文、普通数据报文；(a)Setup报文在网络构建初期，基站会广播Setup报文分组，通知各传感器节点开始工作；传感器节点在接收到Setup报文分组后，会判断该Setup报文分组的发送路径是否成环，若成环则将此Setup报文分组丢弃，若未成环就记录下接收到该Setup报文分组的跳数并将其加1后再转发给邻居节点，若传感器节点接收到多个Setup报文分组，仅记录下最小跳数并将其加1后转发，丢弃其他的Setup报文分组；传感器节点根据接收到的Setup报文分组包含的跳数、接收到的信息的信号强度来判断自身与基站的距离；(b)反馈报文反馈报文由传感器节点发送回基站，是关于划分区域的反馈信息；基站向传感器节点发送区域划分报文，传感器节点根据收到这个报文的信号强度指示来计算与基站的距离；传感器节点将自己的ID号、与基站的距离和传感器节点自身能量信息反馈给基站，(c)划分区域报文基站收集到所有传感器节点发送来的反馈报文后，按照给定的阈值范围，按信号强度大小划分区域，每个区域赋予一个固定的区域ID号，离基站越近的区域ID号越小，然后基站广播划分区域报文；传感器节点收到此报文后判断自己属于哪个区域，并记录下自己的区域ID号；(d)传感器节点加入数据簇头的JOIN‑CH报文传感器节点在选择某个数据簇头加入时，向数据簇头发送JOIN‑CH报文申请加入，JOIN‑CH报文中包括传感器节点的地址、离数据簇头的距离、剩余能量；(e)普通数据包的格式当源节点有数据要发送时，为了和其他传感器节点发送的数据进行区别，为数据设一个标志字段来进行区别标示；较大的数据报文需要进行分割，分成大小固定的分组；每个分组进行标识，分组中有源节点的位置信息，目标节点的位置信息，以及传递路径；在数据报包头中指出数据段的长度；需有填充域字段用来在分组数据段不一致时保证每个分组的长度一致。