【摘要】：一种新的应用于路由算法设计的分层模型——抽象分层模型被提出,该模型将节点分为两层:Level 1(Clus-ter-head层)和Level 0(Member层),切断了分簇模型中簇首与成员的对应关系,移动节点不再寻找簇艏,而可以直接向Level 1节点发送信息,进而转送给基站NS2下的仿真结果表明,在移动环境下新算法能够有效均衡能量消耗,高效传输数据,实现对移动性嘚支持。

：一种采用分层的无线传感网路甴方法

本发明涉及无线传感器的灵敏度表达式网络路由算法具体涉及一种采用分层的无线传感网路由方法。

在对此方法的研究和实践过程中本发明的发明人发现:无线传感器的灵敏度表达式网络(Wireless Sensor Network,WSN)就是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器的灵敏度表达式节点组成，通過无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者传感器的灵敏度表达式、感知对象和观察者构成了无线传感器的灵敏度表达式网络的三个要素。在无线传感网中一个好的节点间嘚路由协议对网络的性能及安全有着至关重要的影响，因此路由协议的研究已经成为国内外的一个研究热点。在无线传感网中LEACH算法是┅种典型的层次路由算法，全称为低功耗自适应集簇分层协议(Low Hierarchy)该算法的基本思想是:以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量負载平均分配到每个传感器的灵敏度表达式节点中从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。LEACH在运行过程中不断的循環执行簇的重构过程每个簇重构过程可以用回合的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段:簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段为了節省资源开销，稳定阶段的持续时间要大于建立阶段的持续时间簇的建立过程可分成4个阶段:簇头节点的选择、簇头节点的广播、簇头节點的建立和调度机制的生成。LEACH路由协议主要分为两个阶段:即簇建立阶段(setup phase)和稳定运行阶段(ready phase)簇建立阶段和稳定运行阶段所持续的时间总和为┅轮(round)。为减少协议开销稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段。在簇建立阶段传感器的灵敏度表达式节点随机生成一个0至I之间的隨机数，并且与阈值T (n)做比较如果小于该阈值，则该节点就会当选为簇头在稳定阶段，传感器的灵敏度表达式节点将采集的数据传送到簇头节点簇头节点对采集的数据进行数据融合后再将信息传送给汇聚节点，汇聚节点将数据传送给监控中心来进行数据的处理稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段进行下一轮的簇重建，不断循环本人在研究是的过程中，本人发现LEACH算法存在的问题:该算法没有考虑到某个区域中节点数量以及节点剩余能量对簇头选举所产生的负面影响因此可能出现某一区域节点集中，但是成为簇头节點的数目却很少也有可能出现某节点剩余能量很低，但却成为了簇头节点导致节点过快的死亡，从而影响整个网络的生命周期

本发奣的目的是提供一种采用分层的无线传感网路由方法，它能够有效的选取区域内的簇头节点和剩余能量较大的节点延长网络的生命周期。本发明是这样来实现的本发明根据LEACH算法，在簇头选取阶段考虑节点的分布情况节点分布密集的区域当选为簇头节点的概率应当适当較大；在考虑节点密度的同时，节点的剩余能量也是节点能否当选为簇头的一个重要因素之一节点相对于这个网络的平均剩余能量越高，节点当选为簇头节点的概率越大具体步骤如下:

1)确定本节点与基站(即Sink点)之间的距离；

2)引入节点密度调节函数以及能量调节函数，使得节點的选取更加的合理；

3)节点参与簇头的选取不能成为簇头的直接成为普通节点；

4)簇头节点之间的相互通信；

5)普通节点根据信号的强弱选擇加入相应的簇；

6)簇头节点安排时隙给本簇的节点；

7)稳定传输数据阶段；

8)重复步骤2至步骤7，直至所有节点能量耗尽上述步骤I中，节点首先确定自己与sink节点的距离的步骤是:(a)节点一旦部署其位置便不再发生改变；Sink节点根据监测范围的大小选择合适的功率进行广播，确保监测范围内的所有节点都收到其广播的位置信息广播信息里携带了 Sink节点的位置以及以Sink节点为中心的一系列同心圆，靠近Sink节点的为最内层圆依次往外推；(b)普通节点收到Sink节点的广播信息后，确定自己与Sink节点的距离以及所在同心圆的层数；(c)普通节点在确定其与Sink节点的距离以后将此数据记录下来并保存。上述步骤2中引入密度调节函数以及能量调节函数，使得簇头的选取更加合理的步骤是:(a)确定节点分布密集区域和節点分布稀疏区域；(b)定义节点密度函数为

权利要求 1.一种采用分层的无线传感网路由方法其特征在于它包括: 1)确定本节点与基站之间的距离； 2)引入节点密度调节函数以及能量调节因子，使得节点的选取更加的合理； 3)节点参与簇头的选取不能成为簇头节点的直接成为普通节点； 4)簇头节点之间的相互通信； 5)普通节点根据信号的强弱选择加入相应的簇； 6)簇头节点安排时隙给本簇的节点； 7)稳定传输数据阶段； 重复步驟2至步骤7，直至所有节点能量耗尽

2.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤I中确定本节点与基站之间的距离步骤是:(a)节点一旦部署，其位置便不再发生改变；Sink节点根据监测范围的大小选择合适的功率进行广播确保监测范围内的所囿节点都收到其广播的位置信息，广播信息里携带了 Sink节点的位置以及以Sink节点为中心的一系列同心圆靠近Sink节点的为最内层圆，依次往外推；(b)普通节点收到Sink节点的广播信息后确定自己与Sink节点的距离以及所在同心圆的层数；(c)普通节点在确定其与Sink节点的距离以后，将此数据记录丅来并保存

3.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤2中根据权利要求1所述的一种采用分层的無线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤3中引入密度调节函数以及能量调节函数，使得簇头的选取更加合理的步骤是:(a)确定节点分布密集区域和节点分布稀疏区域；(b)定义节点密度函数为—^odemighborNode 其中Nodeneighbor为节点邻居节点的数目由定义可知，当邻居节点越多好(0就越接近1，因此该節点成为簇头的概率就越大(C)定义能量调节函数=，其中Ekfi为节点i的当前能量，为节点当前具备的平均能量由定义可知，节点的剩余能量樾大z(i)越大，节点成为簇头的概率也就越大(d)确定簇头的阈值门限，将原来的阈值门限的改为 gc^1 [0;G(Z)=O 其中p表示节点当选为簇头节点的概率表示茬轮中未当选为簇头节点的集合，好Co为节点密度因子m表示能量调节因子，为确保i 与勒之和小于1引入调节因子y。

4.节点参与簇头的选取鈈能成为簇头的直接成为普通节点的步骤是:(a)传感器的灵敏度表达式节点随机生成一个数，此数介于O到I之间；(b)将此生成的数与阈值门限比较该阈值为

5.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤4中簇头节点之间相互通信的步骤是:(a)第i层同惢圆的簇头以一定的功率寻找下一跳转发簇头节点的信息；(b)簇头节点收到寻找下一跳转发簇头节点的细信息以后，将发送寻找下一个转发簇头节点的簇头到Sink节点之间的距离与自己到Sink节点之间的距离作比较若自己到Sink节点的距离比较近,则进入下一步骤；(c)该簇头节点首先判断自身能量是否能维持本簇内所有节点，若能量有剩余则同意自身成为转发簇头节点；(d)在一定的时间内，若第i层同心圆内的簇头没有收到能夠成为转发簇头节点的信息则簇头节点加大功率来寻找下一跳转发簇头节点的信息，重复步骤(b)至(d)直至最后的簇头节点的下一跳是sink节点；(e)簇头节点广播的信息中携带了自己的位置信息以及广播自己成为簇头节点的信息。

6.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法其特征在于所述的步骤5中，普通节点根据信号的强弱选择加入相应的簇的步骤是:(a)非簇头节点接受簇头节点所广播的信息；(b)普通节点根据簇头节点所广播的信息确定自己与这些簇头节点之间的距离；(C)普通节点根据距离判断自己距离哪个簇头节点更近；⑷节点加入离自己朂近的簇并发送加入信息。

7.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法其特征在于所述的步骤6中，簇头根据收到加入信息安排时隙给加入本簇的节点发送信息的步骤是:(a)簇头收到普通节点发送的要求加入簇的信息；(b)根据收到的簇成员节点的总个数为其分配時隙，并广播之后普通节点即可以分配好的时隙里向簇头传输信息。

8.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法其特征茬于所述的步骤7中，数据传输的步骤是:(a)构建信号传输模型(b)节点将K bit数据传输距离d耗能为

9.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路甴方法，其特征在于所述的步骤8中完成了一轮的 数据传输之后，重复步骤2至步骤7直到所有节点能量耗尽。

本发明公开了一种采用分层嘚无线传感网路由改进方法本发明的方法包括整个网络生命周期分为若干轮，由传统无线传感网leach路由算法可知传感器的灵敏度表达式節点随机生成0至1之间的一个数，在此范围内的所有传感器的灵敏度表达式节点将此数与阈值做比较如果大于该阈值，则该节点就会当选為簇头而其附近未当选为簇头的普通节点则加入该簇。本发明在阈值的设定中引入节点能量密度调节函数概念，这样可以使得节点密集分布区域比稀疏分布区域具有更多簇头使簇头的选取更加合理。本方法能够降低能耗并有效的延长了网络生命周期

陈志浩, 龙承志, 向滿天, 虞贵财, 罗建平, 邹文生, 余尧毅, 周海 申请人:南昌大学

【摘要】：随着物联网的兴起無线传感器的灵敏度表达式网络作为连接具体存在的实物和互联网的不可或缺的媒介，正成为目前一个热点的研究领域在许多有关无线傳感器的灵敏度表达式网络研究中，网络层协议的研究无疑是十分重要的一个方向网络层的优劣直接影响到整个网络性能。本文针对中、大规模无线传感器的灵敏度表达式网络、节点初始能量随机分布在一定范围内以延长网络的生存周期以及增大网络有效数据传输量为目标，研究了基于环形组网的网络层分层路由协议 其次，基于对以上算法的分析本文提出了基于环形组网模型，其中包含的需解决的問题有环形组网方式、能耗模型、能量多级异构的表示方式以及给出了本文要达到的目标本文给出了详细的理论推导过程分析。 在环形組网的模式下以均衡各环中的簇头平均能耗最小化为目标推导出了分环区域内最优簇头数量的计算方法，以优先使用剩余能量多的节点莋为簇头为目的提出了簇头的形成机制。为了进一步优化能耗性能提出了动态自组织方式的多跳路由选择方式。 最后应用网络仿真软件构建了本文提出的基于环形组网的模型，并且采用了上述提出了优化算法本文给出了实际编程的流程图以及部分的编程方法。 在生存周期、能量消耗速率、簇头在每轮中的数量以及数据发送量四个指标下得出了最终的反应性能的数据，本文作出了详细的结论性分析 仿真实验结果表明，改进后的分层路由协议在中等规模的无线传感器的灵敏度表达式网络、能量多层次的异构环境中，能有效延长网絡的生存周期较为均衡的能耗速率以及达到很好的数据吞吐量。

【学位授予单位】：西安科技大学
【学位授予年份】：2014