一种面向移动传感器网络的分簇路由方法技术

本发明专利技术涉及一种面向移动传感器网络的分簇路由方法，针对移动无线传感器网络应用环境，对传统无线传感网中LEACH协议进行改进，加入移动因子与能量因子，以选取相对移动速度较小与剩余能量较高的节点成为簇头节点。在数据传输阶段，采用动态的时隙分配方法，将由于节点离开簇结构而空闲的时隙标记为空闲时隙，分配给新加入的成员节点，有效解决了由于传感器移动导致的传输时隙需要不断重新划分的问题，节约了网络能耗，降低了网络延时，延长了网络寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种面向移动传感器网络的分簇路由方法
本专利技术涉及一种面向移动传感器网络的分簇路由方法，适用于移动传感器网络

技术介绍
近年来，由具有感知信息，计算处理，无线通信等功能组成的无线传感器网络被广泛应用，该网络通常由资源受限的传感器节点组成，各传感器节点可以探测其周围环境信息，通过无线自组织方式形成传输网络，实现数据传输。而移动传感器网络是其中的一种特殊情况，是节点具有可移动性的无线传感器网络，有着广泛的应用，如将传感器节点安放在动物身上来研究动物的活动特征、将传感器节点部署在水面来进行水质监测或将传感器节点安放在移动的物体上来监测周围的环境信息，在这些应用中，传感器节点都会因为自身的需要或受到风、水流等自然因素的影响而发生移动。移动传感器网络除了具有节点资源受限、可靠性差、网络自组织等无线传感器网络的特征外，其节点还具有移动性，传感器节点可能会受到环境的作用而发生移动或者传感器节点被部署在可移动的物体上而发生移动。由于移动,传感器节点会改变最初部署之后的位置,节点的移动会导致原来的网络连接断裂、路由中断、数据信息不能正常收集和传送。所以使得需要设计新的路由协议来适应网络拓扑结构由于节点移动产生的改变。无线传感器网络中的LEACH协议是一种经典的分簇路由协议，它的基本思想是：等概率的循环随机选择簇头，以均衡各节点间的能量消耗，从而使网络的生命周期延长。LEACH周期性地执行网络分簇循环，每轮循环包括簇头选择，簇的建立，稳定传输三个阶段。簇成员节点按照固定分配的时隙向簇头传输数据，簇头将收到的数据进行融合，然后发送给汇聚节点在稳定工作一段时间后，网络重新进入下一轮的簇头选举阶段。LEACH协议循环随机选举簇头的方法分摊了网络的能量消耗，避免单个簇头节点因过分消耗能量而失效，同时簇头对收集的数据进行融合，减小了数据通信量，也达到了节省能量的目的，延长了网络的生存时间。传统的WSN分簇路由协议都是基于节点静止的情况。然而近年来，包含移动节点的无线传感器网络逐渐得到了广泛应用。静态网络中的路由协议如果直接运用到移动无线传感器网络中，存在维护代价高及传输可靠性降低等问题。因此，传统的无线传感器网络路由协议已不能适用于节点移动的场景。因此需要针对移动传感器网络设计一种分簇路由方法。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提出一种面向移动传感器网络的分簇路由方法，主要用于在移动传感器网络中选举簇头节点，针对LEACH协议中簇头节点选取过于随机的问题，对阈值公式T(i)进行改进，加入移动因子与能量因子，选取移动速度适中与剩余能量较高的节点成为簇头。在数据传输阶段，簇头采用动态的时隙分配方法，将由于节点离开簇结构而空闲的时隙标记为空闲时隙，用于分配给新加入的成员节点，避免了网络拓扑结构由于节点的移动而频繁变化，降低网络能量消耗，延长了移动传感器网络的寿命。技术方案：本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案，包括以下步骤：步骤一，根据整个网络能耗最小的原则计算出网络较优的簇首个数；步骤二，计算传感器节点的移动因子Fv与能量因子Fe；步骤三，选取簇头节点，根据改进的阈值公式T(i)选举出相对移动速度较小与剩余能量较高的节点成为簇头节点；步骤四，簇头节点将当选为簇头的消息广播给网络中其他节点，非簇头节点根据接收到的消息选择加入相应簇结构，簇头采用TDMA方式生成时隙分配方案；步骤五，网络分簇完成后进入数据传输阶段，当有节点移动出原来所属的簇结构时，簇头将其所在时隙标记为空闲时隙用来分配给移动进入该簇范围的传感器节点。在该分簇路由方法中，根据使整个网络能量消耗最小为原则来求取网络中的簇头个数。在分簇路由协议中，簇头节点的数量对网络性能有着直接的影响。在本专利技术的R×R的区域中，N为网络中节点总数，K为分簇的个数，ECH与EC-member分别为一个簇中簇头与非簇头节点在一轮中的能量消耗，一轮下来整个网络所消耗的能量为：由于大量传感器节点的存在，可以认为节点到基站的距离服从N((Dmax-Dmin)/2,δ2)的正态分布，则有簇头到基站的距离的期望值为E[dtoBS]＝(Dmax-Dmin)/2(2)其中δ为该正态分布函数中的参数，也就是标准差，δ2为方差，δ描述正态分布资料数据分布的离散程度，δ越大，数据分布越分散，δ越小，数据分布越集中。在本方案中，δ指该传感器网络中传感器的分布离散程度，也就是δ越大，传感器分布越分散，δ越小，传感器分布越集中。其中Dmax和Dmin分别是网络中节点到基站最长和最短的距离，将各式代入并对簇头个数K求导并置0，得到较优簇头的数目Kch：在步骤二中，为了选择相对移动速度较小的节点成为簇首，定义移动因子如式(4)：其中,Vcurrent表示传感器节点的当前速度,Vmax表示传感器节点的最大移动速度,Vmin表示传感器节点的最小移动速度。选择剩余能量较多的节点作为簇首的候选节点，定义能量因子如式(5)：其中，Ecurrent表示当前节点的剩余能量，Einit表示节点的初始能量。在原有LEACH协议的阈值公式中加入移动因子Fv与能量因子Fe，选择移动速度适中与剩余能量较高的节点成为簇头节点，得到改进后的阈值公式T(i)如下：其中，PCH是较优簇头数目占所有节点的百分比，PCH＝Kch/N。r是目前循环进行的轮数，α是加权因子。D的为在前1/Pch轮中还未当过簇首的节点集合。附图说明图1是本专利技术的网络模型的示意图。图2是本专利技术的路由方法的流程图。图3是本专利技术的簇内成员节点列表图。图4是本专利技术的移动节点加入新簇头节点的示意图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。图1是本专利技术采用的网络模型，本专利技术面向小规模的移动传感器网络，采用层次型的分簇网络结构，所有传感器节点分为两类：簇头节点与成员节点，在初始状态时，所有节点随机选择[0,2π]中的一个角度θ，以速度v进行移动，速度v的大小属于[Vmin，Vmax]，每次移动到与当前位置距离为d的位置，停留一段时间再进行移动。当某一节点被选举成为簇头节点后将保持当前的移动方向和速度不变，直到完成一轮数据的收集。如果传感器节点移动到网络边界，将会被弹回，保证所有节点均在网络范围内移动。图2所示是本专利技术的移动传感器网络分簇路由方法的流程图，网络初始化是指在无线传感器网络中，基站是固定的，网络中的所有传感器节点都是同种类型并且初始能量相等，节点具有足够的计算能力，传感器节点在网络中是动态移动的，每个节点带有GPS装置确定自己的坐标位置。每个传感器节点可以根据坐标确定它与基站的距离。本分簇路由方法包括簇头的选择，簇结构的建立，数据传输三个阶段，簇头选择阶段主要是对簇头的选举；在簇结构的建立阶段，非簇头节点选择簇头加入之后簇头为成员节点分配相应传输时隙；数据传输阶段传感器节点将采集的数据发送给簇头，簇头对数据进行融合处理后再通过短距离多跳的方式将数据发送给汇聚节点或者基站。下面给出几个关键因素的具体分析：(1)较优簇头节点数目在分簇路由协议中，簇头节点的数量对网络性能有着直接的影响，本专利技术根据使整个网络能量消耗最小为原则来求取网络中的簇头个数。设在R×R的区域中，N为网络中节点总数，K为分簇的个数，Eelec为发射电路发送/或接收1bit本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向移动传感器网络的分簇路由方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一，根据整个网络能耗最小的原则计算出网络较优的簇首个数；步骤二，计算传感器节点的移动因子Fv与能量因子Fe；步骤三，选取簇头节点，根据改进的阈值公式T(i)选举出相对移动速度较小与剩余能量较高的节点成为簇头节点；步骤四，簇头节点将当选为簇头的消息广播给网络中其他节点，非簇头节点根据接收到的消息选择加入相应簇结构，簇头采用TDMA方式生成时隙分配方案；步骤五，网络分簇完成后进入数据传输阶段，当有节点移动出原来所属的簇结构时，簇头将其所在时隙标记为空闲时隙用来分配给移动进入该簇范围的传感器节点。

【技术特征摘要】
1.一种面向移动传感器网络的分簇路由方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一，根据整个网络能耗最小的原则计算出网络较优的簇头个数；步骤二，计算传感器节点的移动因子Fv与能量因子Fe；步骤三，选取簇头节点，根据改进的阈值公式T(i)选举出相对移动速度较小与剩余能量较高的节点成为簇头节点；步骤四，簇头节点将当选为簇头的消息广播给网络中其他节点，非簇头节点根据接收到的消息选择加入相应簇结构，簇头采用TDMA方式生成时隙分配方案；步骤五，网络分簇完成后进入数据传输阶段，当有节点移动出原来所属的簇结构时，簇头将其所在时隙标记为空闲时隙用来分配给移动进入该簇范围的传感器节点；所述步骤一中整个网络能量消耗最小为原则来求取网络中的簇头个数；在分簇路由协议中，簇头节点的数量对网络性能有着直接的影响；在R×R的区域中，N为网络中节点总数，K为簇头个数，ECH与EC-member分别为一个簇中簇头与非簇头节点在一轮中的能量消耗，一轮下来整个网络所消耗的能量为：由于大量传感器节点的存在，可以认为节点到基站的距离服从N((Dmax-Dmin)/2,δ2)的正态分布，则有簇头到基站的距离的期望值为：E[dtoBS]＝(Dmax-Dmin)/2(2)δ为该正态分布函数中的参数，也就是标准差，δ2为方差，δ描述正态分布资料数据分布的离散程度，δ越大，数据分布越分散，δ越小，数据分布越集中；其中，Dmax和...

【专利技术属性】
技术研发人员：达志超，张登银，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32