一种可控簇规模的能耗均衡路由方法技术

一种可控簇规模的能耗均衡路由方法，包括：步骤1，通过簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与其簇成员节点之间的链路质量(LQI)和簇首候选节点的度对簇首进行选举；步骤2，利用虚拟引力方法将普通传感器节点加入到簇首中形成簇，以此对簇规模进行控制；步骤3，设计簇首下一跳代价选择函数来均衡网络中簇首节点的能耗，簇首间路由采用链路式路由协议。本发明专利技术提出的一种可控簇规模的能量均衡路由协议，该协议在簇首选举、簇规模控制和簇首间路由都充分考虑了负载均衡。因此本发明专利技术对于无线传感器网络路由研究的主要难点节点负载不均衡的问题上有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种可控簇规模的能耗均衡路由方法
本专利技术涉及无线传感器网络的路由方法，尤其是一种可控簇规模的能耗均衡路由方法。
技术介绍
无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器节点通过无线通讯的方式形成的多跳自组织网络，主要功能是数据采集及监测，其被广泛的应用于各个领域。一般传感器网络部署区域环境复杂，很难为传感器节点更换电池，在节点电源有限的情况下很容易死亡，尤其是大规模传感器网络需要采集转发大量的数据。在转发数据过程中某些传感器节点负载过大能量消耗过快，最终导致无线传感器网络过早死亡，因此研究能耗均衡的路由协议有重要意义。目前针对WSN路由协议的研究主要有两个方面，一种是链路式路由协议，另外一种是层次路由协议。但是这些协议对于簇首的选举、簇规模控制、簇首间路由缺少研究。
技术实现思路
为了克服已有无线传感器网络的路由方法的节点负载不均衡、网络使用寿命较短的不足，本专利技术提供一种充分考虑负载均衡性、延长网络使用寿命的可控簇规模的能耗均衡路由方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可控簇规模的能耗均衡路由方法，所述路由方法包括如下步骤：步骤1：簇首选举，过程如下：考虑簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与其簇成员节点之间的链路质量LQI和簇首候选节点的度进行簇首选举，为每个传感器节点建立并储存邻居节点表，如表1所示：IDEjRSSIijLQIij表1其中，ID为邻居节点的唯一表示，Ej为邻居节点的剩余能量，RSSIij为节点与其邻居节点之间的信号强度，LQIij为节点与邻居节点之间的链路质量，根据表1中的相关信息计算每个簇首候选节点的W值，如公式(1)所示，W值综合考虑了簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与簇成员节点的链路质量以及簇首候选节点度，当簇首候选节点的W值大于其竞争半径内其它传感器节点的W值，则该簇首候选节点出任簇首；公式(1)中，α、β、χ为常数，根据经验设置，且α+β+χ＝1，Ei为簇首候选节点的剩余能量，Ej为簇首候选节点i竞争半径内点j的剩余能量，E0为传感器节点的初始能量，LQIij为簇首候选节点i与其竞争半径内的邻居节点j之间的链路质量。LQImax为一个常数，即链路质量范围内的最大值，Da为传感器网络的平均度，D为簇首候选节点的度；步骤2：簇规模控制，过程如下：步骤2.1：簇首的选择是以候选簇首节点为圆心，以竞争半径为半径的范围内判断候选节点是否出任簇首；利用节点距离Sink节点的最短跳数表示节点与Sink节点的距离，传感器节点的最短跳数可通过传感器网络洪范方法获得；竞争半径采用信号强度，当节点与簇首候选节点之间的信号强度大于cr，cr为竞争半径对应的RSSI值，则认为该节点位于簇首候选节点的竞争半径内；cr如公式(2)所示：公式(2)中，RSSIr表示在节点通讯半径r处的信号强度值，hopmin表示距离Sink节点的最短跳数，h为常数；步骤2.2：节点i出任簇首后，向周围传感器节点广播信标帧，告知其邻居节点；广播的信标帧中包括簇首的剩余能量Ei和簇首到邻居节点j的信号强度RSSIij同一个邻居节点j可能收到多个簇首发送的信标帧，根据信标帧中的信息计算节点j与其各个邻居簇首的引力F(i,j)，最后节点j加入对其引力最大的簇首，引力计算如公式(3)所示：公式(3)中，Ej为普通节点的剩余能量；步骤3：簇首间路由，过程如下：步骤3.1：簇首结点功率放大，簇成员节点定时采集数据并通过一跳路由发送至簇首节点，然后簇首节点将数据进行融合并转发给下一跳簇首节点，最后将数据传输至Sink节点；簇首节点主动放大发射功率，将通讯半径r调整为R＝γ×r，γ为常数且大于1；步骤3.2：簇首间路由设计，簇首间路由采用链路式路由协议，设计簇首下一跳代价选择函数，如公式(4)所示：公式(4)中，ci为需要发送数据包的簇首节点编号，cj为与簇首ci相邻的簇首节点编号，Ecj为簇首cj的剩余能量，Hcj为簇首cj距离Sink节点的最短跳数，Hmax为簇首ci的通讯半径R内的簇首节点距离Sink节点的最短跳数的最大值，D为簇首ci的度，Da为网络平均度；当簇首节点ci收集了其簇成员节点的数据，然后根据代价选择函数计算与之相邻的簇首节点cj转发其数据包的代价，选择转发代价最小的簇首作为下一跳转发节点。本专利技术的技术构思为：现有无线传感器网络路由研究的主要难点在于节点负载不均衡，容易导致某些节点能量提前耗尽，从而使得传感器网络过早死亡。针对这一难点，本专利技术提出了一种可控簇规模的能量均衡路由协议(CCEBP)。首先综合考虑节点的剩余能量、节点与邻居节点的链路质量、节点的度选择簇首节点，然后根据节点距离Sink节点的最短跳数控制簇首竞争半径，从而控制簇规模，接着利用虚拟力模型进行普通节点成簇，最后簇首通过多跳路由将采集的数据发送至Sink节点。该协议在簇首选举、簇规模控制和簇首间路由都充分考虑了负载均衡，因此该协议具有较好的能耗均衡性，对无线传感器网络路由研究的主要难点节点负载不均衡的问题具有重要意义。本专利技术的有益效果主要表现在：1、本专利技术提出的能耗均衡路由协议可以针对位置未知的传感器节点，因此局限性更小；2、本专利技术提出的能耗均衡路由协议充分考虑了负载均衡性，对于无线传感器网络路由研究的主要难点节点负载不均衡的问题上有重要意义。附图说明图1是本专利技术的簇首分布图。图2是本专利技术的分簇结果图。图3是一种可控簇规模的能耗均衡路由方法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图3，一种可控簇规模的能耗均衡路由方法，包括以下步骤：步骤1：簇首选举；步骤1.1：簇首选举的意义，簇首的选择对分簇路由协议的影响重大，选择合适的节点出任簇首能够较好的均衡网络能耗延长网络生存时间。簇首的任务是接收簇成员节点的消息并转发给下一跳簇首，因此簇首需要考虑剩余能量，其次簇成员节点会发送大量的数据包到簇首节点，因此簇成员节点与簇首节点之间的链路质量(LQI)要好。最后簇首与簇首之间通讯需要将通讯半径扩大，且成为簇首需要消耗较大的能量，因此簇首的度(簇首候选节点竞争半径内传感器节点的数量)不宜太小，否则会造成能量的浪费。步骤1.2：簇首的选举，考虑簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与其簇成员节点之间的链路质量(LQI)和簇首候选节点的度进行簇首选举。为每个传感器节点建立并储存邻居节点表，如表1所示。表1邻居节点表IDEjRSSIijLQIij表1中ID为邻居节点的唯一表示，Ej为邻居节点的剩余能量，RSSIij为节点与其邻居节点之间的信号强度，LQIij为节点与邻居节点之间的链路质量。根据表1中的相关信息计算每个簇首候选节点的W值，如公式(1)所示，W值综合考虑了簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与簇成员节点的链路质量以及簇首候选节点度。当簇首候选节点的W值大于其竞争半径内其它传感器节点的W值，则该簇首候选节点出任簇首。公式(1)中α、β、χ为常数，可根据经验设置，且α+β+χ＝1，Ei为簇首候选节点的剩余能量，Ej为簇首候选节点i竞争半径内(RSSIij>cr)点j的剩余能量，E0为传感器节点的初始能量，LQIij为簇首候选节点i与其竞争半径内的邻居节点j之间的链路质量。LQImax为一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控簇规模的能耗均衡路由方法，其特征在于：所述路由方法包括如下步骤：步骤1：簇首选举，过程如下：考虑簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与其簇成员节点之间的链路质量LQI和簇首候选节点的度进行簇首选举，为每个传感器节点建立并储存邻居节点表，如表1所示：

【技术特征摘要】
1.一种可控簇规模的能耗均衡路由方法，其特征在于：所述路由方法包括如下步骤：步骤1：簇首选举，过程如下：考虑簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与其簇成员节点之间的链路质量LQI和簇首候选节点的度进行簇首选举，为每个传感器节点建立并储存邻居节点表，如表1所示：IDEjRSSIijLQIij表1其中，ID为邻居节点的唯一表示，Ej为邻居节点的剩余能量，RSSIij为节点与其邻居节点之间的信号强度，LQIij为节点与邻居节点之间的链路质量，根据表1中的相关信息计算每个簇首候选节点的W值，如公式(1)所示，W值综合考虑了簇首候选节点的剩余能量、簇首候选节点与簇成员节点的链路质量以及簇首候选节点度，当簇首候选节点的W值大于其竞争半径内其它传感器节点的W值，则该簇首候选节点出任簇首；公式(1)中，α、β、χ为常数，根据经验设置，且α+β+χ＝1，Ei为簇首候选节点的剩余能量，Ej为簇首候选节点i竞争半径内点j的剩余能量，E0为传感器节点的初始能量，LQIij为簇首候选节点i与其竞争半径内的邻居节点j之间的链路质量，LQImax为一个常数，即链路质量范围内的最大值，Da为传感器网络的平均度，D为簇首候选节点的度；步骤2：簇规模控制，过程如下：步骤2.1：簇首的选择是以候选簇首节点为圆心，以竞争半径为半径的范围内判断候选节点是否出任簇首；利用节点距离Sink节点的最短跳数表示节点与Sink节点的距离，传感器节点的最短跳数可通过传感器网络洪范方法获得；竞争半径采用信号强度，当节点与簇首候选节点之间的信号强度大于cr，cr为竞争半径对应的RSSI值，则认为该节点位于簇首...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小薪，周元申，吴克宋，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33