一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法技术

本发明专利技术公开了一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法，包括：簇首选取阶段，对于初始能量不同的节点，生成的阈值也不同，处于活跃状态的传感器节点会生成0‑1之间的随机数，如果这个数小于其相应的阀值T(n)，则该节点当选为簇首；簇的建立阶段，簇首节点产生后，主动向网络中所有节点广播这一消息；传输数据的稳定阶段，用于聚集和处理数据，路由数据；节点采集数据，对数据进行融合。本发明专利技术在保证WSN数据传输可靠性的同时，提高网络负载整体的均衡度，有效减少数据冗余和降低节点能量损耗，从而延长了WSN的工作寿命。

Cluster head election and rotation method in energy heterogeneous wireless sensor network

The invention discloses an energy heterogeneous wireless sensor networks in the cluster head election and rotation method, including: cluster head selection stage, node for different initial energy, generating different threshold, random number of sensor nodes in the active state will generate 0 between 1, if the number is less than the corresponding threshold T (n), the nodes being cluster head; establish cluster, cluster head nodes are generated, active the news to all nodes in broadcast networks; stable data transmission, for collecting and processing data, data routing; node data acquisition, data fusion. The invention ensures the reliability of the WSN data transmission, improves the overall balance of the network load, effectively reduces data redundancy and reduces node energy consumption, thereby prolonging the service life of the WSN.

【技术实现步骤摘要】
一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法
本专利技术属于无线传感器网络系统
，尤其涉及一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法。
技术介绍
无线传感器网络是一种无基础设施的网络，它由一组传感器节点以无线自组织方式构成，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并对这些数据进行处理，最终将这些信息传送到需要的用户，而这就要求WSN具备长期可靠的数据融合功能。WSN网络中节点的计算能力、无线带宽和电池容量有限，簇首路由属于层次化聚类协议，通过执行数据聚集和融合减少传输到节点的数据量，降低类内各节点能耗，是一种有效改善能量效率的解决方法。数据融合技术是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程，可以减少冗余的网络流量。在大多数的应用中，并不是所有的传感器都是同构的，而针对同构的路由算法在异构网络下并不能很好的降低整个网络的能量消耗，容易造成局部节点负载过重和能量过度消耗，大大缩减了WSN的工作寿命。在面向数据融合的应用中，网络工作寿命和传输可靠性是首要追求目标。传感器是数据采集、数据处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。传感器装备有一个传感模块如声、光、磁、视觉等用于感知周围世界中的物理量，一个数字处理模块用于处理传感模块采集的信号以及完成网络协议的功能，一个无线电收发模块用于通信和一个电源模块为传感器的各种操作提供能量。现有的技术方案，从特殊场景应用中的无线传感器网络系统出发。无线传感器网络系统大致的四个阶段：1.大量的传感器节点被随机散布在目标监测区域；2.对网络进行网络拓扑规划；3.在数据收集过程中，需要每个传感器采集到的有效数据及时、准确的传回节点和基站；4.传感器节点采集大量的、实时数据进行压缩处理。以上的技术方案存在如下限制条件：1.电源受限：由于无线传感器网络通常被配置于偏远地区或是工作人员较难到达的自然环境中，因此传感器节点中的电源不易更换。而传感器节点的体积较小，从而无法为之配备大型的能源供应装置。2.处理能力受限：由于体积的限制，处理单元采用微型处理器再加上传感器节点的电源受限，因此处理器的处理能力有限。传感器节点无法运行大型的应用程序和处理大量的应用数据。3.存储能力受限：在体积、电源受限的前提下，传感器节点采用容量较小的微型处理器存储少量的感应数据和短小的应用程序。4.通信距离受限：传感器节点采用无线电进行通信。在理想状态下其通信范围半径为r的圆(r为最大通信距离)，在通信范围内的所有传感器节点都能相互通信。由于通信距离越大，能耗越大，因此传感器节点的能量受限导致其通信距离受限。无线传感器网络节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量。能耗主要体现在采集、通信和数据处理这几方面，而能量损耗的关键在网络层通信。路由协议是无线传感器网络层的核心技术，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息地基础上选择合适的路径。传统的路由协议不能直接用于传感器网路，而针对MANET设计的组网和通信协议一般不适合于传感器网络。1.传统路由协议的设计目标主要是高质量服务，缺少对节能方面的考虑，而传感器网络协议的主要涉及目标是降低能源损耗，提高网络生命周期，考虑的性能指标不一致。传统路由协议并不适用。2.传统协议以最短路径或最小延迟为优化目标，必然导致通往汇集节点的关键路径上节点能量迅速耗尽，缩短网络生命周期，同时拓扑变化过快，不符合路由协议的设计目标。3.传统协议在全局范围内达到路由收敛的要求会导致计算能力有限的传感器网络节点负载过重，同样的使得某些节点过早耗尽能量，不利于网络稳定性。4.针对MANET提出的组网和通信协议，一般也不适合于传感器网络。综上所述，传统的路由协议缺少对节能方面的考虑，而且扩展性也达不到传感器网路的要求，传统路由协议不能适用；通往汇集节点的关键路径上节点能量迅速耗尽；有限的传感器网络节点负载过重。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法，旨在解决传统的路由协议缺少对节能方面的考虑，而且扩展性也达不到传感器网路的要求，传统路由协议不能适用；通往汇集节点的关键路径上节点能量迅速耗尽；有限的传感器网络节点负载过重的问题。本专利技术是这样实现的，一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法，大致分为启动阶段和稳定阶段，在启动阶段，传感器节点选择随机数，随机数小于阈值T(ni)的节点作为簇头，在稳定阶段，节点持续采集数据并向簇头传输，簇头将该簇中的节点传来的数据进行融合处理后发送到sink节点。由于各节点能量不同，阈值T(ni)也不同，每一轮采用簇头轮转的方法选取簇头。所述能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法包括以下步骤：步骤一，簇首选取阶段，对于初始能量不同的节点，生成的阈值T(ni)也不同，处于活跃状态的传感器节点会生成0-1之间的随机数，如果这个数小于其相应的阀值T(n)，则该节点当选为簇首；步骤二，簇的建立阶段，簇首节点产生后，主动向网络中所有节点广播这一消息；未被选择作为簇首的传感器节点选择最优簇首，并发送加入该簇的请求信息；簇首收到请求后，将节点设置为簇内成员；簇形成后，簇首通过广播方式告知为簇内每一个节点分配一个TDMA通信时隙；只有在属于自己的时隙内，成员节点才可以向簇首节点发送数据；步骤三，传输数据的稳定阶段，用于聚集和处理数据，路由数据；节点采集数据，对数据进行融合。进一步，所述步骤二具体包括：(1)在每一轮中选举PoptN个簇头节点，其中Popt为优化簇头比例，也是加权概率，N是整个网络的总结点数；第ni个节点由下面的阈值T(ni)(概率门限)，来决定是否成为簇头节点：其中，r为当前的轮数，G为在最近轮中没有成为簇头的节点集合；每个节点都有机会轮流成为消耗能量较多的簇头节点；E0表示普通节点的初始能量，a1,a2,...,an分别表示n种特殊节点所占的比例，b1,b2,...,bn分别表示特殊节点初始能量超过普通节点初始能量的倍数；a1N,a2N,...,anN个特殊节点的初始能量分别为E0(1+b1),E0(1+b2),...,E0(1+bn)，剩下的(1-a1-a2,...-an)N个普通节点的初始能量为E0(1+bn)；多级异构网络总的初始能量为：假定N个传感器节点随机均匀分布在一个半径为A的圆形区域，sink节点位于区域中间，每一轮向簇头发送数据的过程中所耗的总能量为：其中，l为簇头数，Eelec表示运行传输电路或者接收电路时每比特数据所消耗的能量，EDA为簇头执行数据融合的代价，为簇头到sink节点的平均距离，为簇成员节点到簇头节点的平均距离，εampd4sink和为放大器消耗的能量。计算得到对Eround关于l求偏导，并令该偏导数为0，则最优的簇头数为得到网络在每一轮消耗的能量总数Eround。同时，网络的初始总能量Etotal已知，Rtotal为网络生命周期的估计值，也可得到Rtatal＝Etotal/Eround对这n+1种节点按照其初始能量取不同的加权概率Pi：(2)节点i在第r轮的当前能量Ei(r)来选取其簇头轮转周期Ti，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法，其特征在于，所述能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法分为启动阶段和稳定阶段；在启动阶段，传感器节点选择随机数，随机数小于阈值T(n

【技术特征摘要】
1.一种能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法，其特征在于，所述能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法分为启动阶段和稳定阶段；在启动阶段，传感器节点选择随机数，随机数小于阈值T(ni)的节点作为簇；在稳定阶段，节点持续采集数据并向簇头传输，簇头将该簇中的节点传来的数据进行融合处理后发送到sink节点；由于各节点能量不同，阈值T(ni)也不同，每一轮采用簇头轮转的方法选取簇头。2.如权利要求1所述的能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法，其特征在于，所述能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法包括以下步骤：步骤一，簇首选取阶段，对于初始能量不同的节点，生成的阈值也不同，处于活跃状态的传感器节点会生成0-1之间的随机数，如果这个数小于其相应的阀值T(n)，则该节点当选为簇首；步骤二，簇的建立阶段，簇首节点产生后，主动向网络中所有节点广播这一消息；未被选择作为簇首的传感器节点选择最优簇首，并发送加入该簇的请求信息；簇首收到请求后，将节点设置为簇内成员；簇形成后，簇首通过广播方式告知为簇内每一个节点分配一个TDMA通信时隙；只有在属于自己的时隙内，成员节点才可以向簇首节点发送数据；步骤三，传输数据的稳定阶段，用于聚集和处理数据，路由数据；节点采集数据，对数据进行融合。3.如权利要求2所述的能量异构无线传感器网络中的簇首选举及其轮换方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：(1)在每一轮中选举PN个簇头节点，其中P为优化簇头比例，也是加权概率；每一个节点由下面的概率门限来决定是否成为簇头节点：其中，r为当前的轮数，G为在最近轮中没有成为簇头的节点集合；每个节点都有机会轮流成为消耗能量较多的簇头节点；E0表示普通节点的初始能量，a1,a2,...,an分别表示n种特殊节点所占的比例，b1,b2,...,bn分别表示特殊节点初始能量超过普通节点初始能量的倍数；a1N,a2N,...,anN个特殊节点的初始能量分别为E0(1+b1),E0(1+b2),...,E0(1+bn)，剩下的(1-a1-a2,...-an)N个普通节点的初始能量为E0(1+bn)；多级异构网络总的初始能量为：N个传感器节点随机均匀分布在一个半径为A的圆形区域，sink节点位于区域中间，每一轮向簇头发送数据的过程中所耗的总能量为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李欣，王大兴，张恒舫，张林桥，张文魁，
申请(专利权)人：武汉中原电子信息有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42