分簇路由算法制造技术

本发明专利技术涉及一种分簇路由算法，包括以下步骤：由基站计算全网节点的簇首节点比例与分簇半径，以及全网节点平均剩余能量，并将计算获取的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量广播给所有节点；各节点根据接收到的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量，计算各自的簇首节点选举阈值，并将该簇首节点选举阈值与该节点产生的随机数比对，随机数大于该簇首节点选举阈值的节点成为候选节点；候选节点在第一时间阈值内未接收到其他候选节点的有效成簇信息时，被选举为簇首节点，并向基站和所有节点广播成簇信息。上述分簇路由算法在簇首节点选举过程中考虑节点能量状况与节点间距离，稳定簇首节点数量，均衡簇首节点分布。

Clustering Routing Algorithms

The present invention relates to a clustering routing algorithm, which includes the following steps: the base station calculates the proportion and radius of the cluster head node and the average residual energy of the whole network node, and broadcasts the calculated proportion and radius of the cluster head node and the average residual energy of the whole network node to all nodes; each node according to the proportion of the received cluster head node, the radius of the cluster and the average residual energy of the whole network node. The average residual energy of the whole network node is calculated, and the election threshold of each cluster head node is compared with the random number generated by the cluster head node. The node whose random number is greater than the election threshold of the cluster head node becomes the candidate node. The candidate node is elected as the cluster head node when it does not receive the effective clustering information of other candidate nodes within the first time threshold, and then it is elected to the base. Stations and all nodes broadcast cluster information. The above clustering routing algorithm considers the energy status of nodes and the distance between nodes in the process of cluster head node election, stabilizes the number of cluster head nodes and balances the distribution of cluster head nodes.

【技术实现步骤摘要】
分簇路由算法
本专利技术涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种分簇路由算法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是由部署在监测区域内的传感器节点组成，并通过无线通信的方式形成的多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理监测区域内被感知对象的信息。一般而言，每个传感器节点负责周期性地采集数据，并将数据通过一定的路由方式转发给基站或汇聚节点。汇聚节点或基站则将收集到的数据处理以后与外部网络通信。目前，无线传感器网络已在军事领域、环境检测、智能家居、交通运输和医疗健康护理等方面有广泛的应用。传统的无线传感器网络使用容量有限的电池作为能量供应，而传感器节点往往部署在恶劣的野外环境中，使得更换电池困难，甚至无法实现，因此提高网络的能量有效性，延长网络生命周期一直是研究热点。为此，能量采集型无线传感器网络(Energy-HarvestingWirelessSensorNetwork,EH-WSN)应运而生，研究人员将能量采集技术应用到无线传感器网络中，使得传感器节点可以将环境中的太阳能、风能、振动能等环境能源转化为可用电能，以延长网络的生命周期。由于节点具有能量供给，节点剩余能量有可能达到可存储能量最大值，从而造成能量上溢问题。因此，在能量补给充足的情况下，延长网络生命周期不再是网络设计的重点，如何充分利用采集能量，使得网络维持一种采集能量与消耗能量相平衡的能量中和(EnergyNeutral)状态，成为能量采集无线传感器网络的主要目标。LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)协议是最早提出的WSN分簇路由算法，算法通过节点轮流做簇首节点的方式均衡网络的整体能量消耗，以延长网络的生命周期。由于LEACH算法采用随机选取簇首节点的方式，具有较大的随机性，因此会造成簇首节点分布不均匀、每轮簇首节点数量不稳定等问题，并且算法没有考虑节点的能量制约，无法充分利用采集能量，不适用于EH-WSN。sLEACH(Solar-AwareLEACH)是最早提出的EH-WSN路由算法，该算法基于LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)算法，在传统电池供电的传感器网络中，引入部分具有太阳能采集功能的传感器节点，通过改变簇首节点选择的阈值提高具有能量补给功能的节点当选簇首节点的概率，从而延长网络生命周期。但是仍然存在簇首节点分布不均的问题，并且仅仅将采集能量作为延长网络生命周期的手段，不能充分利用能量采集的特性。PHC(Power-HarvestingClustering)路由算法在LEACH协议的基础上，将节点的剩余能量和补给能量同时考虑到簇首节点选择当中，使得改进后的路由算法更适用于EH-WSN。同时，该算法提出了一个代价函数，非簇首节点通过计算相应的代价函数来决定加入哪一个簇，该机制的引入能够有效降低网络整体能量消耗，延长网络寿命。但是上述问题仍没有解决。EBCS(EnergyBalancedClusteringwithSelf-Energized)算法根据不同地理区域的节点所获补给能量大小不同，结合实际能量补给场景对簇首节点选举机制进行了改进，并采用了一种自适应选择单跳或多跳的簇间通信机制，以充分保存和利用补给能量。但是，当网络节点能量下降，补充能量不够充分时，EBCS算法的簇首节点比例会不断减小，从而导致网络整体能量消耗增加，影响网络整体性能。上述EH-WSN路由算法仅仅将采集能量作为续航手段，而当节点消耗能量小于补充能量时，可能造成能量溢出的问题，无法充分利用采集能量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种分簇路由算法，能够自适应的调整簇首比例策略，调整簇首比例值，根据全网能量状况调整簇首数量，在簇首节点选举过程中考虑节点能量状况与节点间距离，以稳定簇首节点数量，均衡簇首节点分布，使得网络在能量状态较好时，能够提升网络吞吐量，而在能量状态较差时，能够减小能量消耗。为解决上述技术问题，以下提供了一种分簇路由算法，包括以下步骤：S1由基站计算全网节点的簇首节点比例与分簇半径，以及全网节点平均剩余能量，并将计算获取的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量广播给所有节点；S2各节点根据接收到的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量，计算各自的簇首节点选举阈值，并将该簇首节点选举阈值与该节点产生的随机数比对，随机数大于该簇首节点选举阈值的节点成为候选节点；S3所述候选节点在第一时间阈值内未接收到其他候选节点的有效成簇信息时，被选举为簇首节点，并向所述基站和所有节点广播成簇信息。可选的，还包括以下步骤：在所述基站接收到的成簇信息的个数达到簇首节点个数要求时，由所述基站向各节点广播一簇首节点选举接受消息，结束簇首节点选举。可选的，还包括以下步骤：判断基站等候接收成簇信息的时间是否超过一簇首节点选择时间长度，若超过，则由所述基站向各节点广播一簇首节点选举接受消息，结束簇首节点选举。可选的，还包括以下步骤：各非簇首节点的普通节点接收到簇首节点选择结束消息后，根据接收到的成簇信息向最近的簇首节点发送入簇请求信息。可选的，还包括以下步骤：所述簇首节点接收到入簇请求信息后，返回确认信息至发送该入簇请求信息的节点，完成分簇。可选的，各个节点向基站发送自身的剩余能量信息和收集能量信息，供所述基站计算获取全网节点平均剩余能量。可选的，其他候选节点在该候选节点的分簇半径内时，向该候选节点发送的成簇信息为有效成簇信息。可选的，采用以下公式计算簇首节点比例：p＝pmax-γ(pmax-pmin)；其中p为簇首节点比例，pmax和pmin分别为簇首节点比例的最大值和最小值，γ为簇首节点比例参数。可选的，采用以下公式计算簇首节点比例参数：其中γ为簇首节点比例参数，EavgRes为全网节点平均剩余能量，E0为节点初始能量，EavgHar为所有节点在这一轮中可采集能量的平均值，EmaxHar为节点在一天中一轮可收集能量的最大值。可选的，采用以下公式计算分簇半径：其中R为分簇半径，M为节点所在的网络所监测的正方形区域的边长，k为簇首节点个数。可选的，采用以下公式计算各节点的第一阈值：t(i)＝(1-G(i))t0；其中p为当前轮次簇首节点比例，Eres(i)为节点i的剩余能量，Etotal(i)为网络节点剩余能量总和，Ehar(i)为节点i的收集能量，G(i)为节点i的能量评估函数，α、β为加权系数，α+β＝1，t0为簇首节点选择时间长度，t(i)为节点i的等待时间。上述分簇路由算法针对的节点能够采集能量，在进行簇首节点的选举时，以节点的剩余能量信息和收集能量信息为基准，自行调整簇首节点数量和分簇半径，从而调整网络每轮的能量消耗，达到能量消耗与能量收集相适应的关系，使得网络在收集能量和剩余能量较大时，适当提高能量消耗，以提高网络性能；当收集能量和剩余能量较小时，网络以低功耗状态运行，以节约能耗。该分簇路由算法考虑了节点剩余能量、收集能量以及节点间距离等因素，在簇首节点选择中考虑节点能量状况与节点间距离，以稳定簇首节点数量，使得簇首节点尽可能均匀分布在传感器网络中，尽可能使得能量状态较好的节点作为簇首节点转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分簇路由算法，其特征在于，包括以下步骤：S1、由基站计算全网节点的簇首节点比例与分簇半径，以及全网节点平均剩余能量，并将计算获取的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量广播给所有节点；S2、各节点根据接收到的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量，计算各自的簇首节点选举阈值，并将该簇首节点选举阈值与该节点产生的随机数比对，随机数大于该簇首节点选举阈值的节点成为候选节点；S3、所述候选节点在第一时间阈值内未接收到其他候选节点的有效成簇信息时，被选举为簇首节点，并向所述基站和所有节点广播成簇信息。

【技术特征摘要】
1.一种分簇路由算法，其特征在于，包括以下步骤：S1、由基站计算全网节点的簇首节点比例与分簇半径，以及全网节点平均剩余能量，并将计算获取的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量广播给所有节点；S2、各节点根据接收到的簇首节点比例、分簇半径以及全网节点平均剩余能量，计算各自的簇首节点选举阈值，并将该簇首节点选举阈值与该节点产生的随机数比对，随机数大于该簇首节点选举阈值的节点成为候选节点；S3、所述候选节点在第一时间阈值内未接收到其他候选节点的有效成簇信息时，被选举为簇首节点，并向所述基站和所有节点广播成簇信息。2.根据权利要求1所述的分簇路由算法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述基站接收到的成簇信息的个数达到簇首节点个数要求时，由所述基站向各节点广播一簇首节点选举接受消息，结束簇首节点选举。3.根据权利要求1所述的分簇路由算法，其特征在于，还包括以下步骤：判断基站等候接收成簇信息的时间是否超过一簇首节点选择时间长度，若超过，则由所述基站向各节点广播一簇首节点选举接受消息，结束簇首节点选举。4.根据权利要求2或3所述的分簇路由算法，其特征在于，还包括以下步骤：各非簇首节点的普通节点接收到簇首节点选择结束消息后，根据接收到的成簇信息向最近的簇首节点发送入簇请求信息。5.根据权利要求4所述的分簇路由算法，其特征在于，还包括以下步骤：所述簇首节点接收到入簇请求信息后，返回确认信息至发送该入簇请求信息的节点，完成分簇。6.根据权利要求1所述的分簇路由算...

【专利技术属性】
技术研发人员：李欣，谷征峰，唐洪莹，王江，李宝清，袁晓兵，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：上海,31