基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法制造技术

本发明专利技术基于虚拟分扇的簇间多跳分簇路由算法VSMC属于网络节点算法领域，解决了无线传感器网络能耗较大，簇头分布不均的问题，算法首先根据最优簇头数对区域虚拟分扇，使簇头数保持在理论上的最优值且分布均匀；其次，综合考虑能量和地理位置因素设计簇内、簇间代价公式，合理选择簇头和父簇头；最后，通过能耗对比分析得到距离阈值公式，建立簇间多跳路由的传输方式，从而本发明专利技术VSMC算法能够有效的优化簇头分布不均问题，延长网络生存周期。

Inter-cluster multi-hop routing algorithm based on virtual fanning

The multi-hop clustering routing algorithm VSMC based on virtual fanning belongs to the field of network node algorithm, which solves the problem of large energy consumption and uneven distribution of cluster heads in wireless sensor networks. Firstly, the algorithm divides the region into virtual fans according to the optimal number of cluster heads, so that the number of cluster heads keeps the optimal value in theory and distributes evenly; secondly, it designs the cluster head with comprehensive consideration of energy and geographical location factors. Finally, the distance threshold formula is obtained through comparative analysis of energy consumption, and the transmission mode of inter-cluster multi-hop routing is established, so that the VSMC algorithm of the present invention can effectively optimize the uneven distribution of cluster heads and prolong the lifetime of the network.

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法
本专利技术属于网络节点算法领域，特别是涉及一种基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法。
技术介绍
近年来，随着电子技术和无线通信的技术创新，无线传感器网络(WSN)得到了飞速发展。能量受限是无线传感器网络显著特点之一，因此需要一种高效节能的路由协议来节省能源，延长网络寿命。网络路由协议通过寻找从源节点到目的节点之间的最优路径来节约能量。从网络拓扑角度，路由协议分为两大类：平面路由协议和分簇路由协议。分簇路由协议较平面路由协议有较好的可扩展性和较高的能量利用率，故成为提高无线传感器网络生存周期的有效途径之一。LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy，低能耗自适应分簇层次算法)协议是第一个含有成簇思想的无线传感器网络路由协议。其主要是通过“轮”随机循环的进行簇头选举和簇重构，将整个网络的能量均衡分配到每个节点，提高网络的生存周期。虽然LEACH协议在很大程度上能提高网络的生存周期，但还存在一些不足。LEACH-ECHC算法通过引入新的阈值公式，在选择簇头时综合考虑了节点的剩余能量和与基站的距离，提高了网络的生命周期。UCS是第一个提出以非均匀分簇的方法来均衡簇头间的负载，算法以簇头能耗相同为目标，根据期望的中继负载来改变簇的大小。但UCS中簇头的位置是事先设计好的，并且网络死亡之前网络分簇不变，故不适合随机部署的WSN网络，在实际操作中难以实现。EEUC算法通过为不同距离的节点分配相应的竞争半径来实现非均匀分簇，但一些参数如最大竞争范围、距离阈值等需要人工选取，随机性大，操作困难。针对UCS和EEUC的缺陷，刘志等人提出了RBMC算法，算法将监测区域划分为若干个同心圆环，通过能耗最小化和能耗均匀的原则，推导出各环最优簇头数，最终形成一个能耗均匀、簇大小异构的多跳WSN网络。但RBMC算法仍然使用LEACH和SEP算法的阈值公式选择簇头，没有考虑簇头能量、地理位置等因素。在RBMC的基础上提出了ERBMC算法，通过在阈值公式、多轮选择机制和多跳路由上的改进，来节约网络的能耗。提出虚拟分块非均匀分簇算法VBUC，该算法通过对区域虚拟分块来选择簇头，且在簇头选举时考虑了能量和距离因素。由于上述算法中簇头均是随机选取的，不能保证算法得到的簇头数为理论计算的最优簇头数，故不能达到理想的节能目标；另一方面，在簇间多跳路由选择时，只考虑了距离因素，未考虑剩余能量对父簇头选取的影响。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，解决了现阶段无线传感器网络能耗较大，簇头分布不均的问题，旨在提供一种基于虚拟分扇的簇间多跳分簇路由算法，本算法通过虚拟分扇、簇内通信代价公式、簇间通信代价公式和簇间距离阈值公式的设计，能有效的克服现有算法的缺陷，提高网络的生存周期。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法，按照以下步骤实现：1)初始阶段T1：在初始阶段T1，根据网络能耗和各环簇头能耗均衡的原则计算出各环簇头个数m＝{m1,m2,...,ms}，则各环簇头概率p＝{p1,p2,...,ps}，其中pk＝mk/Nk，s为网络的总环数，Nk为第k环的节点数，k的取值范围为1≤k≤s，sink节点将p、ε和sink的位置打包成SINK_NOTIFY_MSG消息以半径R向外广播，节点根据RSSI值计算与sink的距离，从而获得自身所在层的簇头选择概率pk；2)簇头选举阶段T2：在簇头选举过程中，每个节点随机产生一个值，将随机值小于阈值公式的节点作为候选簇头，当选候选簇头的节点以环宽度ε距离向外广播CCH_NOTIFY_MSG消息，消息包括节点间平均距离、节点当前轮剩余能量和节点到sink的距离；3)簇形成阶段T3：最终选举的簇头以2ε的距离向外广播自身成为簇头的消息FCH_NOTIFY_MSG，FCH_NOTIFY_MSG中包括簇头的ID、当前能量和与sink的距离，非簇头节点根据接收到的FCH_NOTIFY_MSG消息，加入距离自己最近的簇头，簇形成阶段结束；4)簇间路由的建立T4：采用簇间多跳路由的传输模式，即位于最外层Cs的簇头首先将簇内节点的数据接收融合之后发送给Cs-1层的父簇头，再进行依次转发直至sink节点。进一步地，所述簇头选举阶段T2中，虚拟分扇、簇头选举的具体方法、簇内通信代价公式如下：定义1节点的区域编号:在第k环中，根据簇头个数mk将其均匀划分为mk个扇区，并为分布在不同扇区内的节点进行区域编号，最终将监测区域划分为m1+m2+...+ms个扇区，其中C1层节点的区域编号范围为(1,m1)；C2层节点的区域编号范围为(m1+1,m1+m2)；Cs层节点的区域编号范围为(m1+m2+...+ms-1+1,m1+m2+...+ms)；定义2节点间的平均距离:定义为在区域编号k中，节点si与区域编号k中其他所有节点的平均距离。具体计算公式为：其中，nk为区域编号为k的节点个数，d(si,sj)为节点si与sj的距离，要求节点sj与节点si的区域编号都为k；定义3节点平均剩余能量：将节点si在第r轮的平均剩余能量定义为：其中，Ei(r)为节点si在第r轮的剩余能量，Nallive(r)为第r轮网络的生存节点数；在簇内通信代价公式中，成员节点与簇头之间的平均距离为影响能耗主要因素，簇头的能量次之，簇头到sink的距离影响因素最小。故一般分配α、β、γ的值分别为：α＝0.5,β＝0.2,γ＝0.3。定义4簇内通信代价公式：区域编号k中节点si的簇内通信代价公式定义为：其中，为节点si的节点间平均距离，d(si,sink)为节点si与sink的距离，Ei(r)为节点si第r轮的剩余能量，α、β、γ为权重系数，满足α+β+γ＝1；在簇内通信代价公式中，成员节点与簇头之间的平均距离为影响能耗主要因素，簇头的能量次之，簇头到sink的距离影响因素最小，故一般分配α、β、γ的值分别为：α＝0.5,β＝0.2,γ＝0.3。定义5候选簇头阈值公式:节点si的阈值公式为：其中，pk为节点si所属环的簇头选举概率，由阈值公式可知，节点的剩余能量越大，成为候选簇头的概率越大；在簇头选举过程中，每个节点随机产生一个值，将随机值小于阈值公式的节点作为候选簇头，当选候选簇头的节点以环宽度ε距离向外广播CCH_NOTIFY_MSG消息，消息包括节点间平均距离、节点当前轮剩余能量和节点到sink的距离，候选簇头选举完成之后，分别对出现的两种情况进行分析：当区域k中有多个候选簇头时，网络根据CCH_NOTIFY_MSG消息，将CCf(i)intra取值最小的候选簇头作为区域k的簇头；当区域k中没有候选簇头时，网络根据CCH_NOTIFY_MSG消息，通过遍历区域编号k所有的节点，选择CCf(i)intra取值最小的节点作为区域k的簇头；通过上述方法，每个区域编号中分别确定了一个簇头。这样既保证了簇头数保持在理论的最优值又保证了簇头分布的均匀性。进一步地，所述簇间路由的建立T4，簇间代价公式CCf(i,j)inter如下：定义6簇间代价公式CCf(i,j)inter:其中，d(CHi,CHj)为簇头CHi与父簇头CHj的距离，d(CHj,sink)为父簇本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法，其特征在于，按照以下步骤实现：1)初始阶段T1：在初始阶段T1，根据网络能耗和各环簇头能耗均衡的原则计算出各环簇头个数m＝{m1,m2,...,ms}，则各环簇头概率p＝{p1,p2,...,ps}，其中pk＝mk/Nk，s为网络的总环数，Nk为第k环的节点数，k的取值范围为1≤k≤s，sink节点将p、ε和sink的位置打包成SINK_NOTIFY_MSG消息以半径R向外广播，节点根据RSSI值计算与sink的距离，从而获得自身所在层的簇头选择概率pk；2)簇头选举阶段T2：在簇头选举过程中，每个节点随机产生一个值，将随机值小于阈值公式的节点作为候选簇头，当选候选簇头的节点以环宽度ε距离向外广播CCH_NOTIFY_MSG消息，消息包括节点间平均距离、节点当前轮剩余能量和节点到sink的距离；3)簇形成阶段T3：最终选举的簇头以2ε的距离向外广播自身成为簇头的消息FCH_NOTIFY_MSG，FCH_NOTIFY_MSG中包括簇头的ID、当前能量和与sink的距离，非簇头节点根据接收到的FCH_NOTIFY_MSG消息，加入距离自己最近的簇头，簇形成阶段结束；4)簇间路由的建立T4：采用簇间多跳路由的传输模式，即位于最外层Cs的簇头首先将簇内节点的数据接收融合之后发送给Cs‑1层的父簇头，再进行依次转发直至sink节点。...

【技术特征摘要】
1.基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法，其特征在于，按照以下步骤实现：1)初始阶段T1：在初始阶段T1，根据网络能耗和各环簇头能耗均衡的原则计算出各环簇头个数m＝{m1,m2,...,ms}，则各环簇头概率p＝{p1,p2,...,ps}，其中pk＝mk/Nk，s为网络的总环数，Nk为第k环的节点数，k的取值范围为1≤k≤s，sink节点将p、ε和sink的位置打包成SINK_NOTIFY_MSG消息以半径R向外广播，节点根据RSSI值计算与sink的距离，从而获得自身所在层的簇头选择概率pk；2)簇头选举阶段T2：在簇头选举过程中，每个节点随机产生一个值，将随机值小于阈值公式的节点作为候选簇头，当选候选簇头的节点以环宽度ε距离向外广播CCH_NOTIFY_MSG消息，消息包括节点间平均距离、节点当前轮剩余能量和节点到sink的距离；3)簇形成阶段T3：最终选举的簇头以2ε的距离向外广播自身成为簇头的消息FCH_NOTIFY_MSG，FCH_NOTIFY_MSG中包括簇头的ID、当前能量和与sink的距离，非簇头节点根据接收到的FCH_NOTIFY_MSG消息，加入距离自己最近的簇头，簇形成阶段结束；4)簇间路由的建立T4：采用簇间多跳路由的传输模式，即位于最外层Cs的簇头首先将簇内节点的数据接收融合之后发送给Cs-1层的父簇头，再进行依次转发直至sink节点。2.根据权利要求1所述的基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法，其特征在于：所述簇头选举阶段T2中，虚拟分扇、簇头选举的具体方法、簇内通信代价公式如下：定义1节点的区域编号:在第k环中，根据簇头个数mk将其均匀划分为mk个扇区，并为分布在不同扇区内的节点进行区域编号，最终将监测区域划分为m1+m2+...+ms个扇区，其中C1层节点的区域编号范围为(1,m1)；C2层节点的区域编号范围为(m1+1,m1+m2)；Cs层节点的区域编号范围为(m1+m2+...+ms-1+1,m1+m2+...+ms)；定义2节点间的平均距离:定义为在区域编号k中，节点si与区域编号k中其他所有节点的平均距离。具体计算公式为：其中，nk为区域编号为k的节点个数，d(si,sj)为节点si与sj的距离，要求节点sj与节点si的区域编号都为k；定义3节点平均剩余能量：将节点si在第r轮的平均剩余能量定义为：其中，Ei(r)为节点si在第r轮的剩余能量，Nallive(r)为第r轮网络的生存节点数，定义4簇内通信代价公式：区域编号k中节点si的簇内通信代价公式定义为：其中，为节点si的节点间平均距离，d(si,sink)为节点si与sink的距离，Ei(r)为节点si第r轮的剩余能量，α、β、γ为权重系数，满足α+β+γ＝1；定义5候选簇头阈值公式:节点si的阈值公式为：其中，p...

【专利技术属性】
技术研发人员：康琳，王海东，杨泽辉，吕庆平，
申请(专利权)人：山西东辉睿鹏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14