一種基于丟包率測量的wsn分簇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于丟包率測量的WSN分簇協(xié)議(LEACH-LLR)。首先在每一輪開始時，所有節(jié)點均將自己的能量E、丟包率P和位置信息ID發(fā)送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點計算出網(wǎng)絡中節(jié)點的有效能量，只有當有效能量Ev高于平均有效能量值Evaver的節(jié)點才會被選作候選簇首，并建立一個候選簇首集合。然后匯聚節(jié)點對候選簇首集合運用LEACH-C協(xié)議中的模擬退火算法，基于網(wǎng)絡總的能量消耗最小函數(shù)進行目標優(yōu)化，通過使用模擬退火算法從候選簇首中選擇出使目標函數(shù)較小的簇首集合。得出所有節(jié)點的分簇方案。本發(fā)明解決了現(xiàn)有分簇節(jié)點的簇首丟包率過高導致網(wǎng)絡生存時間減少，數(shù)據(jù)傳輸效率低和時延大的問題。
【專利說明】一種基于丟包率測量的WSN分簇方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡分簇協(xié)議【技術領域】，涉及一種基于丟包率測量的WSN分簇方法。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的傳感器節(jié)點構成的一種自組織網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡系統(tǒng)可以被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、軍事國防、智能家居等領域。通過在感知區(qū)域放置大量密集部署、自組織的無線傳感器節(jié)點，用戶可以完成對指定區(qū)域的監(jiān)控。
[0003]目前，分簇是無線傳感器網(wǎng)絡的主要節(jié)能手段之一。將無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點分簇，可以有效組織網(wǎng)絡拓撲，利用多跳傳輸?shù)姆绞竭M行通訊，減少長距離的傳輸，因此能夠有效減少能源的消耗，從而延長網(wǎng)絡生命期。在現(xiàn)有的分簇方法中，可以根據(jù)簇首的選擇范圍以及方式大致選取了以下兩類。第一類是在整個傳感區(qū)域中按照某種概率隨機地選取若干簇首，而普通節(jié)點加入某個簇后，進而將傳感區(qū)域劃分為由各簇首所代表的若干區(qū)域。其中比較具有代表性的是文獻[I]提出的基本LEACH協(xié)議。LEACH (Low-EnergyAdaptive Clustering Hierarchy)是第一種基于聚簇式的分層路由協(xié)議,它采用了輪的概念，在每一輪中采用隨機的方式為每個簇選擇簇首節(jié)點，然后由簇內成員節(jié)點收集信息，并匯聚到簇首，最后再由簇首直接發(fā)往匯聚節(jié)點。LEACH選取簇首時是采用隨機的方式，而能量消耗過多的節(jié)點一旦再被選為簇首，就有可能在下一輪信息采集中死亡，從而導致信息收集失敗，進而影響整個網(wǎng)絡的功能目標。第二類是根據(jù)節(jié)點的能量均衡問題來進行簇首的選取，能量高的節(jié)點被選為簇首的概率高，然后再根據(jù)簇首的分布情況來進行區(qū)域的劃分。文獻[2]介紹了一種基于這種分簇的LEACH-C協(xié)議。LEACH-C(LEACH-Centralized)分簇路由協(xié)議是在每輪開始時每個節(jié)點把自己的位置和當前能量情況報告給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點計算出網(wǎng)絡中節(jié)點的平均能量，能量高于平均能量的節(jié)點被選作候選簇首，然后采用模擬退火算法從候選簇首節(jié)點中選出數(shù)量合適且位置最優(yōu)的節(jié)點作為簇首，最后匯聚節(jié)點將分簇結果廣播給各個節(jié)點。
[0004]但是，無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)常工作在惡劣的環(huán)境中，由于無線鏈路受到干擾或者衰落，經(jīng)常需要數(shù)據(jù)重發(fā)，導致現(xiàn)有分簇性能降低。目前，大多數(shù)的WSN分簇方案中都沒有涉及到簇首的丟包率問題的研究，都是通過節(jié)點能量的高低或節(jié)點的位置等來進行選取簇首。然而由于干擾和衰落，盡管節(jié)點的能量高或位置離匯聚節(jié)點近，但是由于需要不停重發(fā)，這些分簇方法不一定能夠達到延長整個網(wǎng)絡的生存周期或節(jié)能的目的。假設到當選簇首的節(jié)點的丟包率很大，這就意味傳感器節(jié)點和簇首的通信要多次重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。由于重發(fā)的能量耗費，多次重發(fā)會嚴重降低整個網(wǎng)絡的生存時間。
[0005]因此，簇首的丟包率是非常重要的問題，需要提出一種能在惡劣電磁環(huán)境下仍能有效降低能源消耗，延長網(wǎng)絡生命期的分簇方法。
[0006]本發(fā)明提出了改進分簇協(xié)議，用于解決由于干擾或衰落導致如圖1所示(簇1，簇2，...，簇η及匯聚節(jié)點部分構成LEACH拓撲)無線傳感網(wǎng)絡生存性降低這一問題。[0007][l]LiTian，HuaichangDu，YanweiHuang，The Simulation and Analysis of LEACHProtocol for Wireless Sensor Network Based on NS2，IEEE，International Conference onSystem Science and Engineering，2012:530-533
[0008][2] Shuo Shi, Xinning Liu and Xuemai Gu, An Energy-Efficiency OptimizedLEACH-C for Wireless Sensor Networks, IEEE International ICST Conference onCommunications and Networking, 2012:487-492

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明提出一種基于丟包率測量的WSN分簇協(xié)議，能夠避免分簇節(jié)點的簇首丟包率過高導致網(wǎng)絡生存時間減少的問題。
[0010]本發(fā)明所采用的技術方案是按照以下步驟進行:
[0011]步驟1:選擇由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務管理節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡，其中所有傳感器節(jié)點和任務管理節(jié)點都可以直接與匯聚節(jié)點通信；
[0012]步驟2:所有節(jié)點均將自己的當前電池能量E、丟包率P和位置信息ID發(fā)送到匯聚節(jié)點；
[0013]步驟3:匯聚節(jié)點根據(jù)當前節(jié)點的電池能量計算出網(wǎng)絡中節(jié)點當前的有效能量Ev,只有當有效能量Ev高于平均有效能量值Evavw的節(jié)點才會被選作候選簇首，并建立一個候選簇首集合；
[0014]步驟4:匯聚節(jié)點對候選簇首集合運用LEACH-C協(xié)議中的模擬退火算法，基于網(wǎng)絡總的能量消耗最小函數(shù)進行目標優(yōu)化，通過使用模擬退火算法從候選簇首中選擇出使目標函數(shù)較小的簇首集合，得出所有節(jié)點的分簇方案并發(fā)送給每個節(jié)點；
[0015]步驟5:當節(jié)點接收到分簇方案的消息后,確定自己是否當選為簇首，當選簇首的節(jié)點應用CSMA/MAC協(xié)議以相同的發(fā)射功率向剩余節(jié)點們廣播自己成為簇首的消息，稱為ADV,剩余節(jié)點接聽簇首們的ADV消息，當剩余節(jié)點接收完簇首的ADV消息之后,根據(jù)接收到的ADV消息的能量強度來決定加入哪個簇首，由于信道對稱且ADV消息是以相同的發(fā)射功率發(fā)送，簇首發(fā)出的ADV報文信號越強，則其和該普通節(jié)點進行通信時能耗越小，在無障礙物影響下，該簇首是離普通節(jié)點最近的節(jié)點，在傳感器節(jié)點確定加入哪個簇首的分簇之后，傳感器節(jié)點用CSMA/MAC協(xié)議發(fā)送Join-REQ到相應的簇首，簇首接收所有的Join-REQ消息，形成無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的簇；
[0016]步驟6:在每次進行數(shù)據(jù)傳輸時，當發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包丟失時丟包計數(shù)器加1，丟包計數(shù)器在數(shù)據(jù)傳輸階段不斷的累加，累加數(shù)字的大小是由節(jié)點決定的，節(jié)點丟包嚴重則累加值就大，但是當一輪時間結束后，節(jié)點不再發(fā)送數(shù)據(jù)，累加器也不再累加，進入下一輪，在選完候選簇首節(jié)點之后進行計數(shù)器清零，然后此后的每一輪都重復進行以上的步驟，直到節(jié)點全部死亡。
[0017]進一步，所述步驟I中傳感器節(jié)點采用現(xiàn)成的EZ430-RF2500模塊，由傳感器模塊、MSP430F2274處理器模塊、CC2500無線通信模塊和電源組成。
[0018]進一步，所述步驟3中有效能量Ev按照如下公式計算:
[0019]Ev = EX (1-P),
[0020]其中P是節(jié)點的丟包率，在時刻t的計算公式為:[0021]Evi(t) = Ei(t) X (1-Pi(t))，
【權利要求】
1.一種基于丟包率測量的WSN分簇方法，其特征在于按照以下步驟進行: 步驟1:選擇由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務管理節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡，其中所有傳感器節(jié)點和任務管理節(jié)點都可以直接與匯聚節(jié)點通信； 步驟2:所有節(jié)點均將自己的當前電池能量E、丟包率P和位置信息ID發(fā)送到匯聚節(jié)占.步驟3:匯聚節(jié)點根據(jù)當前節(jié)點的電池能量計算出網(wǎng)絡中節(jié)點當前的有效能量Ev，只有當有效能量Ev高于平均有效能量值Evara的節(jié)點才會被選作候選簇首，并建立一個候選族首集合； 步驟4:匯聚節(jié)點對候選簇首集合運用LEACH-C協(xié)議中的模擬退火算法，基于網(wǎng)絡總的能量消耗最小函數(shù)進行目標優(yōu)化，通過使用模擬退火算法從候選簇首中選擇出使目標函數(shù)較小的簇首集合，得出所有節(jié)點的分簇方案并發(fā)送給每個節(jié)點； 步驟5:當節(jié)點接收到分簇方案的消息后，確定自己是否當選為簇首，當選簇首的節(jié)點應用CSMA/MAC協(xié)議以相同的發(fā)射功率向剩余節(jié)點們廣播自己成為簇首的消息，稱為ADV，剩余節(jié)點接聽簇首們的ADV消息，當剩余節(jié)點接收完簇首的ADV消息之后，根據(jù)接收到的ADV消息的能量強度來決定加入哪個簇首，由于信道對稱且ADV消息是以相同的發(fā)射功率發(fā)送，簇首發(fā)出的ADV報文信號越強，則其和該普通節(jié)點進行通信時能耗越小，在無障礙物影響下，該簇首是離普通節(jié)點最近的節(jié)點，在傳感器節(jié)點確定加入哪個簇首的分簇之后，傳感器節(jié)點用CSMA/MAC協(xié)議發(fā)送Join-REQ到相應的簇首，簇首接收所有的Join-REQ消息，形成無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的簇； 步驟6:在每次進行數(shù)據(jù)傳輸時，當發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包丟失時丟包計數(shù)器加1，丟包計數(shù)器在數(shù)據(jù)傳輸階段不斷的累加，累加數(shù)字的大小是由節(jié)點決定的，節(jié)點丟包嚴重則累加值就大，但是當一輪時間結束后，節(jié)點不再發(fā)送數(shù)據(jù)，累加器也不再累加，進入下一輪，在選完候選簇首節(jié)點之后進行計數(shù)器清零，然后此后的每一輪都重復進行以上的步驟，直到節(jié)點全部死亡。
2.按照權利要求1所述一種基于丟包率測量的WSN分簇方法，其特征在于:所述步驟I中傳感器節(jié)點采用現(xiàn)成的EZ430-RF2500模塊，由傳感器模塊、MSP430F2274處理器模塊、CC2500無線通信模塊和電源組成。
3.按照權利要求1所述一種基于丟包率測量的WSN分簇方法，其特征在于:所述步驟3中有效能量Ev按照如下公式計算:
Ev = EX (1-P), 其中P是節(jié)點的丟包率，在時刻t的計算公式為:
Evi(t) = Ei(t) X (1-Pi(t)),.N
【文檔編號】H04W40/10GK104010339SQ201410238287
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權日:2014年6月3日
【發(fā)明者】易運暉, 陳南, 戰(zhàn)立岸, 朱暢華, 何先燈, 權東曉, 裴昌幸 申請人:易運暉, 陳南, 戰(zhàn)立岸