[发明专利]一种基于节点深度的无线传感器网络分簇路由协议

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于无线传感器网络的分簇路由算法；本发明适用于无线自组网络应用领域，尤其适用于无线传感器网络应用领域。

背景技术

无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，广泛应用于环境监测、楼宇智能化、战场监视以及交通流量监测等领域。节点间通过低功耗的无线通信方式进行信息传递，每个节点的MCU、存储空间、电池能量等资源都非常有限，无线传感器网络的路由协议具有与传统网络不同的性能要求，其中低能耗一直是最重要的性能要求之一。同时，障碍物、无线通信距离和部分节点死亡等特性对无线传感器网络的路由产生极大的影响， 路由失败将导致节点等效死亡。为了保证无线传感器网络长时间有效的运行，需要研究高效的路由协议来延长网络生命周期，保证数据的可靠传输；

国内外研究学者已经提出了不少无线传感器网络路由协议，如Flooding、Gossiping、SPIN、Directed Diffusion、LEACH、PEGASIS、TEEN、GPSR等。这些典型的路由协议从网络拓扑结构的角度大体上可以分为两类：平面路由协议和分簇路由协议。平面路由协议如Flooding，SPIN等，虽然简单、易扩展，无须进行任何结构维护工作，但网络中无管理节点,缺乏对通信资源的优化管理，在进行数据传输的时候出现大量冗余的数据包，这样既减小了网络吞吐量，又降低了网络生存时间。分簇路由协议有LEACH，PEGASIS 等，在分簇的拓扑管理机制下，网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类。在每个簇内，根据一定的机制算法选取某个节点作为簇头，用于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作。成员节点无需维护复杂的路由信息，没有数据传输时可以关闭通信模块，很大程度上节省了网络能量。簇头负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发，减少了冗余数据的通信量，也节省了部分能量。但分簇路由协议通常具有很高的运算复杂度，必须周期性的选择簇首，同时维护簇结构，对于能量和运算能力受限的传感器节点来说也是不容忽视的开销。总体上，由于分簇路由具有拓扑管理方便、数据融合简单、能量利用高效等优点，逐渐成为了无线传感器网络中重点研究的路由技术。

LEACH协议采用簇的方式进行路由，将路由协议划分成节点设置和稳定工作两个阶段。在设置阶段，它将节点划分成若干个簇，每个簇中有一个簇头和多个一般节点，簇头随机选举产生，每个节点属于一个簇；在稳定工作阶段，它接收本簇内所有非簇头节点的数据，并结合自身的监测数据进行数据融合，然后将数据直接传输到Sink节点。簇头负责所有本簇内节点的数据接收和融合，所以簇头的能量消耗大于非簇头节点。为实现节点的能量均衡消耗，LEACH协议还提出“轮”的概念，即一次设置和稳定工作过程为一轮。每一轮使用不同的节点作为簇头，以实现所有节点的能量开销平衡。

由于簇头的选举具有随机性，因此可能导致能量较少的节点当选为簇头，加速了其能量消耗而过早死亡。该协议中簇头节点与Sink节点之间的数据传输采用直接传输的方式，导致簇头节点能量的消耗过大。而且在实际应用中无法保证其假设条件，如簇头与Sink节点之间存在障碍物时，簇头节点无法将数据发送给Sink节点，从而导致路由失败。

发明内容

本发明针对LEACH路由协议中可能选择低能量节点为簇头、簇头数据单跳传输耗能较大、节点间能量消耗不均衡等问题，提出了一种优化的路由协议CRAND (A Clustering Routing Algorithm based on Node Depth for WSN)。该算法主要采用了节点深度这一参数，使簇头分布更均匀，选择能量较高的节点作为簇头，杜绝了LEACH中剩余能量较低的节点当选为簇头的情况。另外，在成簇时，使得簇成员数量不均匀。靠近汇聚节点的簇，成员数量较少；而远离汇聚节点的簇，成员数量较多。这样，靠近汇聚节点的簇头可以节省部分能量来转发其它簇头的数据，以缓解“热区”效应，均衡网络中节点的能量消耗。簇头间采用多跳的数据传输方式，避免远处的簇头直接发送数据给汇聚节点，消耗过多能量。在选择最佳传输路径时，考虑节点深度值、簇头剩余能量和簇成员数量的影响，进一步均衡节点能量消耗，延长网络寿命。

   本发明主要包括以下内容：

1初始化阶段

初始化阶段完成整个算法的初始化过程，为后面的的算法正常执行建立基础。该阶段的主要任务是建立网络节点深度值，节点深度值将在分簇和路由选择算法中起到重要作用。另外，设置网络中的所有传感器节点均同构，并且具有相同的初始化能量。