一种基于丢包率测量的wsn分簇方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于丢包率测量的WSN分簇协议(LEACH-LLR)。首先在每一轮开始时，所有节点均将自己的能量E、丢包率P和位置信息ID发送到汇聚节点，汇聚节点计算出网络中节点的有效能量，只有当有效能量Ev高于平均有效能量值Evaver的节点才会被选作候选簇首，并建立一个候选簇首集合。然后汇聚节点对候选簇首集合运用LEACH-C协议中的模拟退火算法，基于网络总的能量消耗最小函数进行目标优化，通过使用模拟退火算法从候选簇首中选择出使目标函数较小的簇首集合。得出所有节点的分簇方案。本发明解决了现有分簇节点的簇首丢包率过高导致网络生存时间减少，数据传输效率低和时延大的问题。
【专利说明】一种基于丢包率测量的WSN分簇方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感器网络分簇协议【技术领域】，涉及一种基于丢包率测量的WSN分簇方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络是由大量的传感器节点构成的一种自组织网络。这种网络系统可以被广泛应用于环境监测、医疗护理、军事国防、智能家居等领域。通过在感知区域放置大量密集部署、自组织的无线传感器节点，用户可以完成对指定区域的监控。
[0003]目前，分簇是无线传感器网络的主要节能手段之一。将无线传感器网络的传感器节点分簇，可以有效组织网络拓扑，利用多跳传输的方式进行通讯，减少长距离的传输，因此能够有效减少能源的消耗，从而延长网络生命期。在现有的分簇方法中，可以根据簇首的选择范围以及方式大致选取了以下两类。第一类是在整个传感区域中按照某种概率随机地选取若干簇首，而普通节点加入某个簇后，进而将传感区域划分为由各簇首所代表的若干区域。其中比较具有代表性的是文献[I]提出的基本LEACH协议。LEACH (Low-EnergyAdaptive Clustering Hierarchy)是第一种基于聚簇式的分层路由协议,它采用了轮的概念，在每一轮中采用随机的方式为每个簇选择簇首节点，然后由簇内成员节点收集信息，并汇聚到簇首，最后再由簇首直接发往汇聚节点。LEACH选取簇首时是采用随机的方式，而能量消耗过多的节点一旦再被选为簇首，就有可能在下一轮信息采集中死亡，从而导致信息收集失败，进而影响整个网络的功能目标。第二类是根据节点的能量均衡问题来进行簇首的选取，能量高的节点被选为簇首的概率高，然后再根据簇首的分布情况来进行区域的划分。文献[2]介绍了一种基于这种分簇的LEACH-C协议。LEACH-C(LEACH-Centralized)分簇路由协议是在每轮开始时每个节点把自己的位置和当前能量情况报告给汇聚节点，汇聚节点计算出网络中节点的平均能量，能量高于平均能量的节点被选作候选簇首，然后采用模拟退火算法从候选簇首节点中选出数量合适且位置最优的节点作为簇首，最后汇聚节点将分簇结果广播给各个节点。
[0004]但是，无线传感器网络经常工作在恶劣的环境中，由于无线链路受到干扰或者衰落，经常需要数据重发，导致现有分簇性能降低。目前，大多数的WSN分簇方案中都没有涉及到簇首的丢包率问题的研究，都是通过节点能量的高低或节点的位置等来进行选取簇首。然而由于干扰和衰落，尽管节点的能量高或位置离汇聚节点近，但是由于需要不停重发，这些分簇方法不一定能够达到延长整个网络的生存周期或节能的目的。假设到当选簇首的节点的丢包率很大，这就意味传感器节点和簇首的通信要多次重新发送数据包。由于重发的能量耗费，多次重发会严重降低整个网络的生存时间。
[0005]因此，簇首的丢包率是非常重要的问题，需要提出一种能在恶劣电磁环境下仍能有效降低能源消耗，延长网络生命期的分簇方法。
[0006]本发明提出了改进分簇协议，用于解决由于干扰或衰落导致如图1所示(簇1，簇2，...，簇η及汇聚节点部分构成LEACH拓扑)无线传感网络生存性降低这一问题。[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
【发明内容】
[0009]本发明提出一种基于丢包率测量的WSN分簇协议，能够避免分簇节点的簇首丢包率过高导致网络生存时间减少的问题。
[0010]本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行:
[0011]步骤1:选择由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点组成的无线传感器网络，其中所有传感器节点和任务管理节点都可以直接与汇聚节点通信；
[0012]步骤2:所有节点均将自己的当前电池能量E、丢包率P和位置信息ID发送到汇聚节点；
[0013]步骤3:汇聚节点根据当前节点的电池能量计算出网络中节点当前的有效能量Ev,只有当有效能量Ev高于平均有效能量值Evavw的节点才会被选作候选簇首，并建立一个候选簇首集合；
[0014]步骤4:汇聚节点对候选簇首集合运用LEACH-C协议中的模拟退火算法，基于网络总的能量消耗最小函数进行目标优化，通过使用模拟退火算法从候选簇首中选择出使目标函数较小的簇首集合，得出所有节点的分簇方案并发送给每个节点；
[0015]步骤5:当节点接收到分簇方案的消息后,确定自己是否当选为簇首，当选簇首的节点应用CSMA/MAC协议以相同的发射功率向剩余节点们广播自己成为簇首的消息，称为ADV,剩余节点接听簇首们的ADV消息，当剩余节点接收完簇首的ADV消息之后,根据接收到的ADV消息的能量强度来决定加入哪个簇首，由于信道对称且ADV消息是以相同的发射功率发送，簇首发出的ADV报文信号越强，则其和该普通节点进行通信时能耗越小，在无障碍物影响下，该簇首是离普通节点最近的节点，在传感器节点确定加入哪个簇首的分簇之后，传感器节点用CSMA/MAC协议发送Join-REQ到相应的簇首，簇首接收所有的Join-REQ消息，形成无线传感器网络节点的簇；
[0016]步骤6:在每次进行数据传输时，当发送数据的节点发现有数据包丢失时丢包计数器加1，丢包计数器在数据传输阶段不断的累加，累加数字的大小是由节点决定的，节点丢包严重则累加值就大，但是当一轮时间结束后，节点不再发送数据，累加器也不再累加，进入下一轮，在选完候选簇首节点之后进行计数器清零，然后此后的每一轮都重复进行以上的步骤，直到节点全部死亡。
[0017]进一步，所述步骤I中传感器节点采用现成的EZ430-RF2500模块，由传感器模块、MSP430F2274处理器模块、CC2500无线通信模块和电源组成。
[0018]进一步，所述步骤3中有效能量Ev按照如下公式计算:
[0019]Ev = EX (1-P),
[0020]其中P是节点的丢包率，在时刻t的计算公式为:[0021]Evi(t) = Ei(t) X (1-Pi(t))，
【权利要求】
1.一种基于丢包率测量的WSN分簇方法，其特征在于按照以下步骤进行: 步骤1:选择由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点组成的无线传感器网络，其中所有传感器节点和任务管理节点都可以直接与汇聚节点通信； 步骤2:所有节点均将自己的当前电池能量E、丢包率P和位置信息ID发送到汇聚节占.步骤3:汇聚节点根据当前节点的电池能量计算出网络中节点当前的有效能量Ev，只有当有效能量Ev高于平均有效能量值Evara的节点才会被选作候选簇首，并建立一个候选族首集合； 步骤4:汇聚节点对候选簇首集合运用LEACH-C协议中的模拟退火算法，基于网络总的能量消耗最小函数进行目标优化，通过使用模拟退火算法从候选簇首中选择出使目标函数较小的簇首集合，得出所有节点的分簇方案并发送给每个节点； 步骤5:当节点接收到分簇方案的消息后，确定自己是否当选为簇首，当选簇首的节点应用CSMA/MAC协议以相同的发射功率向剩余节点们广播自己成为簇首的消息，称为ADV，剩余节点接听簇首们的ADV消息，当剩余节点接收完簇首的ADV消息之后，根据接收到的ADV消息的能量强度来决定加入哪个簇首，由于信道对称且ADV消息是以相同的发射功率发送，簇首发出的ADV报文信号越强，则其和该普通节点进行通信时能耗越小，在无障碍物影响下，该簇首是离普通节点最近的节点，在传感器节点确定加入哪个簇首的分簇之后，传感器节点用CSMA/MAC协议发送Join-REQ到相应的簇首，簇首接收所有的Join-REQ消息，形成无线传感器网络节点的簇； 步骤6:在每次进行数据传输时，当发送数据的节点发现有数据包丢失时丢包计数器加1，丢包计数器在数据传输阶段不断的累加，累加数字的大小是由节点决定的，节点丢包严重则累加值就大，但是当一轮时间结束后，节点不再发送数据，累加器也不再累加，进入下一轮，在选完候选簇首节点之后进行计数器清零，然后此后的每一轮都重复进行以上的步骤，直到节点全部死亡。
2.按照权利要求1所述一种基于丢包率测量的WSN分簇方法，其特征在于:所述步骤I中传感器节点采用现成的EZ430-RF2500模块，由传感器模块、MSP430F2274处理器模块、CC2500无线通信模块和电源组成。
3.按照权利要求1所述一种基于丢包率测量的WSN分簇方法，其特征在于:所述步骤3中有效能量Ev按照如下公式计算:
Ev = EX (1-P), 其中P是节点的丢包率，在时刻t的计算公式为:
Evi(t) = Ei(t) X (1-Pi(t)),.N
【文档编号】H04W40/10GK104010339SQ201410238287
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】易运晖, 陈南, 战立岸, 朱畅华, 何先灯, 权东晓, 裴昌幸 申请人:易运晖, 陈南, 战立岸