一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法技术

本发明专利技术涉及一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，提出了一种新的分簇路由算法(CREW)，CREW由簇建立阶段和数据传输阶段组成。在簇建立阶段，CREW将整个EH‑WSNs划分成多个不均匀的簇，并利用簇首选择等待时间选择簇首。在数据传输阶段，CREW采用自适应的簇间通信机制，并提出了自适应簇首间数据传输机制，如果簇首节点的剩余能量大于该簇内所有节点的平均剩余能量，且簇首节点的能量获取效率大于能量消耗效率，那么该簇首节点就采用与Sink节点直接通信的模式进行数据传输，否则，该簇首节点将选择簇首间的多跳路由模式进行数据传输。本发明专利技术有效解决了可充电无线传感网络中节点不稳定和不均衡问题，提高了节点的剩余能量的利用率和其充电效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属无线传感器网络
，涉及一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，特别是涉及一种新的分簇路由算法(CREW)，对簇首选择机制进行了相应的改进，还提出了一种自适应簇首间数据传输机制。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)是一种全新的信息获取方式，它不需要固定网络支持，以其随机布置、自组织、抗毁性强、适应苛刻环境等优势，具有在多种场合满足信息获取的实时性、准确性、全面性等需求的能力。由于无线传感器网络的应用前景愈来愈广泛，已引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。在无线传感器网络
中，传感器节点的电池容量是传统WSNs能够持续工作的一个主要瓶颈。为了延长WSNs的生命周期，已有大量的研究工作针对能量高效的网络算法进行了研究，其中就包括基于分簇的路由算法。分簇WSNs一般由一个Sink节点和一定数量的簇组成，每一个簇又由一个簇首节点(CH)和一些簇节点(CM)组成。在每一个簇中，簇节点负责环境信息的采集，而簇首节点则接收本簇内簇节点的数据，并将收集的数据通过直接传输或者多跳传输的方法发送给Sink节点。然而，只要节点的电池容量是有限的，节点的能量耗尽将不可避免。近年来，能量收集技术已经在WSNs中得到应用，从而克服节点能量有限的缺陷。通过给传感器节点安装一个能量收集模块，传感器节点就可以从外部资源中获取能量，例如：太阳能、热能、风能、振动引起的能量和能量等。在其工作过程中，除了遇到硬件的故障问题，只要节点消耗的能量低于其获取的能量，那么可充电无线传感器网络(EH-WSNs)就将可以持续地工作。然而，传统WSNs和EH-WSNs的不同能量供应模式使得基于传统WSNs的分簇路由协议并不能应用到EH-WSNs中。此外，在EH-WSNs的实际工作过程中，不同的传感器节点具有不同的能量获取效率。例如，对于以太阳能作为能量来源的传感器节点而言，处于阳光充足区域的节点所获取的能量要多于处于阴暗区域的节点，此外，节点在夜间也并不能获取能量。因此，为了保持持续工作，可充电传感器节点在可充电的时间范围内必须保存一定的能量以供未来需要时使用。但是，传感器的可充电电池的容量是有限的，如果该电池一旦充满，那么可获取的能量将直接丢失。因此基于以上特征，针对EH-WSNs，设计合理的分簇路由协议就显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，特别是涉及一种新的分簇路由算法(CREW)，对簇首选择机制进行了相应的改进，还提出了一种自适应簇首间数据传输机制，有效解决了可充电无线传感网络中节点不稳定和不均衡问题，提高了节点的剩余能量的利用率和其充电效率。本专利技术的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，包括簇建立阶段和数据传输阶段，同时针对簇首的数据传输策略，还提出了一种自适应簇首间数据传输机制，包括以下步骤：(a)簇建立阶段：(1)初始化每个节点的网络梯度值和节点类型，分别设为0和CM。(2)Sink节点发出分簇信号Partion_Cluster()。(3)节点i，根据接收到的信号强度计算节点距离li，并根据节点距离li、剩余能量比RaRE(i)和能量收益GaE(i)更新网络梯度NetG(i)、用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)和竞争簇首的等待时间WTC(i)。(4)比较节点i的剩余能量Eres(i)和其邻居节点的平均剩余能量如果那么该节点就成为候选簇首节点；否则，该节点就成为簇节点。(5)Sink节点发出簇首选择信号CH_Select()。(6)依据WTC(i)和ATRC(i)，选择相应的候选簇首节点当选为最终的簇首节点。(b)数据传输阶段:(7)在一个数据收集周期结束后，簇首节点i计算其剩余能量Eres(i)和该簇内所有簇节点的平均剩余能量(8)如果(簇首i的剩余能量大于该簇内所有簇节点的平均剩余能量)，那么根据节点能耗模型，簇首i计算其直接发送所收集的数据到Sink节点所需要的能量(li是在分簇节点就已经计算好的)。(9)如果(在直接发送数据至Sink情况下，簇首i仍然处于充电状态)，那么该节点采用直接通信的方式将数据传输给Sink节点；否则，将采用多跳的方式进行数据传输。如上所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(1)中网络梯度具体为：1)网络梯度(NetG)。根据节点与Sink节点的聚类，将整个EH-WSN分成多层，这样的多层网络称为网络梯度。处于同一梯度内的传感器节点具有相同的网络梯度值，表示NetG(i)＝m，其中，0≤m≤M(M为NetG的最大值)，i为传感器节点的ID(1≤i≤|V|)。2)网络梯度的宽度(BreG)。具有相同的NetG值的节点区域宽度定义为BreG。对NetG＝m，其BreG可以表示为：其中，L是传感器节点到Sink节点距离的最大值，α为BreG的调整参数，且0<α≤1。如果α值固定，那么m的值越小，相应的BreGm的值也就越小。如上所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(3)中剩余能量比RaRE(i)具体为：对于节点i，RaRE定义为RaRE(i)＝Eres(i)/Emax(i)，其中，Eres(i)和Emax(i)分别表示节点i的当前剩余能量和可充电电池的最大容量。RaRE(i)的值越大，表明该节点的剩余能量越多。如上所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(3)中能量收益GaE(i)具体为：对于节点i，GaE定义为GaE(i)＝Ehar(i)-Econ(i)，其中，Ehar(i)和Econ(i)分别表示一个时段内(例如轮)，节点i从外界获取的能量和消耗的能量。如果GaE(i)是个正数，则表明节点i在该时段内从外界获取的能量大于其消耗的能量；如果在该时段内，节点i的电池处于未饱和状态，则在该时段内节点i的电池处于充电的状态，否则，收获的多余能量将被丢失。如果GaE(i)是个负数，则表明节点i在该时段内从外界获取的能量小于其消耗的能量，节点处于耗能状态。如上所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(3)中用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)具体为：对于节点i，ATRC(i)定义为ATRC(i)＝β×rini×NetG(i)/M，其中，β是传输半径调整因子，rini是节点的初始传输半径。m的值越大，ATRC(i)的半径也就越大。如上所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(3)中竞争簇首的等待时间WTC(i)具体为：对于节点i，WTC(i)定义为节点i收到Sink节点发出的簇首竞争信息到其自身发射簇首竞争信息的等待时间，表示为：其中，max(GaE(i))和min(GaE(i))分别表示节点i工作的历史数据中GaE(i)的最大值和最小值。WTC(i)与RaRE(i)和GaE(i)成反比如上所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(4)中簇节点、簇首节点具体为：整个EH-WSNs被分成多个簇，每个簇又有簇首节点和簇节点组成。簇节点的主要任务是环境信息的采集并将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征是：所述的可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法包括簇建立阶段和数据传输阶段，同时针对簇首的数据传输策略，采用自适应簇首间数据传输机制，包括以下步骤：(a)簇建立阶段：(1)初始化每个节点的网络梯度值为0，节点类型为簇节点，记为CM；(2)Sink节点发出分簇信号Partion_Cluster()；(3)节点i，根据接收到的Partion_Cluster()信号强度计算节点i与Sink节点距离li，并根据距离li、剩余能量比RaRE(i)和能量收益GaE(i)更新网络梯度NetG(i)、用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)和竞争簇首的等待时间WTC(i)；(4)将整个可充电无线传感器网络划分成多个不均匀的簇；并根据上述得到的距离li、剩余能量比RaRE(i)和能量收益GaE(i)更新网络梯度NetG(i)、用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)和竞争簇首的等待时间WTC(i)将整个可充电无线传感器网分成多层，形成网络梯度NetG；处于同一梯度内的传感器节点具有相同的网络梯度值，表示NetG(i)＝m；其中，0≤m≤M，M为NetG的最大值；i为传感器节点的ID，1≤i≤|V｜，V为传感器节点的数量；具有相同的NetG值的节点区域宽度定义为网络梯度的宽度BreG；对NetG＝m，其BreG表示为：其中，L是传感器节点到Sink节点距离的最大值，α为BreG的调整参数，且0<α≤1；如果α值固定，那么m的值越小，相应的BreGm的值也就越小；(5)比较节点i的剩余能量Eres(i)和其邻居节点的平均剩余能量如果那么该节点就成为候选簇首节点；否则，该节点就成为簇节点；(6)Sink节点发出簇首选择信号CH_Select()；(7)依据WTC(i)和ATRC(i)，选择相应的候选簇首节点当选为最终的簇首节点；(b)数据传输阶段：(8)在一个数据收集周期结束后，簇首节点i计算其剩余能量Eres(i)和该簇内所有簇节点的平均剩余能量(9)如果即簇首i的剩余能量大于该簇内所有簇节点的平均剩余能量，那么根据节点能耗模型，簇首i计算其直接发送所收集的数据到Sink节点所需要的能量(10)如果表示在直接发送数据至Sink情况下，簇首i仍然处于充电状态，那么该节点采用直接通信的方式将数据传输给Sink节点；否则，将采用多跳的方式进行数据传输。...

【技术特征摘要】
1.一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征是：所述的可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法包括簇建立阶段和数据传输阶段，同时针对簇首的数据传输策略，采用自适应簇首间数据传输机制，包括以下步骤：(a)簇建立阶段：(1)初始化每个节点的网络梯度值为0，节点类型为簇节点，记为CM；(2)Sink节点发出分簇信号Partion_Cluster()；(3)节点i，根据接收到的Partion_Cluster()信号强度计算节点i与Sink节点距离li，并根据距离li、剩余能量比RaRE(i)和能量收益GaE(i)更新网络梯度NetG(i)、用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)和竞争簇首的等待时间WTC(i)；(4)将整个可充电无线传感器网络划分成多个不均匀的簇；并根据上述得到的距离li、剩余能量比RaRE(i)和能量收益GaE(i)更新网络梯度NetG(i)、用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)和竞争簇首的等待时间WTC(i)将整个可充电无线传感器网分成多层，形成网络梯度NetG；处于同一梯度内的传感器节点具有相同的网络梯度值，表示NetG(i)＝m；其中，0≤m≤M，M为NetG的最大值；i为传感器节点的ID，1≤i≤|V｜，V为传感器节点的数量；具有相同的NetG值的节点区域宽度定义为网络梯度的宽度BreG；对NetG＝m，其BreG表示为：其中，L是传感器节点到Sink节点距离的最大值，α为BreG的调整参数，且0<α≤1；如果α值固定，那么m的值越小，相应的BreGm的值也就越小；(5)比较节点i的剩余能量Eres(i)和其邻居节点的平均剩余能量如果那么该节点就成为候选簇首节点；否则，该节点就成为簇节点；(6)Sink节点发出簇首选择信号CH_Select()；(7)依据WTC(i)和ATRC(i)，选择相应的候选簇首节点当选为最终的簇首节点；(b)数据传输阶段：(8)在一个数据收集周期结束后，簇首节点i计算其剩余能量Eres(i)和该簇内所有簇节点的平均剩余能量(9)如果即簇首i的剩余能量大于该簇内所有簇节点的平均剩余能量，那么根据节点能耗模型，簇首i计算其直接发送所收集的数据到Sink节点所需要的能量(10)如果表示在直接发送数据至Sink情况下，簇首i仍然处于充电状态，那么该节点采用直接通信的方式将数据传输给Sink节点；否则，将采用多跳的方式进行数据传输。2.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(4)中剩余能量比RaRE(i)具体为：对于节点i，RaRE(i)定义为：RaRE(i)＝Eres(i)/Emax(i)，其中，Emax(i)表示节点i的可充电电池的最大容量；RaRE(i)的值越大，表明该节点的剩余能量越多。3.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(4)中能量收益GaE(i)具...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁永生，张向飞，姚光顺，郝矿荣，蔡欣，刘天凤，曹梦琦，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31