一种基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发方法

摘要

本发明公开一种无线传感器网络中基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发策略设计方法。由于现有基于均匀分簇技术的数据转发策略中，簇头节点组成的骨干网络实现多跳路由带来了一个能量消耗不均衡问题，即靠近基站的簇头节点由于转发大量数据而负载过重，过早耗尽能量而失效，导致网络分割，缩短了网络存活时间。因此，本发明在梯度模型上运行簇机制，通过非均匀成簇和基于节点能量、非簇头节点数目、节点相对位置的低梯度关键节点的动态选择，以提高簇间通信的能量有效性为目标完成数据转发。本发明所提出的设计方法能够在均衡节点间能量消耗的同时，降低网络能量开销，达到了提升网络资源利用率及最大化网络存活时间的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络数据转发技术，特别涉及基于梯度的 能量有效非均匀分簇数据转发方法。

背景技术

区别于传统无线网络的数据转发策略，无线传感器网络数据转发 策略的设计主要考虑节点的能量有效性，数据的冗余性以及数据传输 的能量消耗等方面，需要根据不同的应用需求设计相应的数据转发策 略。无线传感器网络中传感节点通常采用电池供电且不可充电，随着 网络的运行，部分传感节点会耗尽电池能量，使得网络处于非连通状 态，导致网络数据传输中断，因此，数据转发策略是无线传感器网络 的关键技术之一，合理高效的数据转发策略设计能够提高网络整体性 能。

近年来，研究人员发现在无线传感器网络数据转发策略中引入分 簇机制可以明显降低每个传感节点的能量消耗，且在很大程度上降低 低能量节点对于数据转发的影响，提高网络存活时间。考虑到传感节 点的能量有效性，无线传感器网络广泛采用非均匀分簇机制解决簇间 多跳通信产生的能量不均衡消耗问题，其核心思想是利用非均匀的竞 争范围来构造大小不等的簇，使得靠近汇聚节点的簇的簇成员节点数 目较少，从而能够节省更多能量以供簇间数据转发使用。但是现有采 用非均匀分簇机制的数据转发策略主要目的是延长网络存活时间，没 有考虑如何均衡不同簇头间的能量消耗问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：大部分基于非均匀分簇的无线传 感器网络数据转发方法未考虑簇头选择优化和簇间多跳通信的能量 有效性问题，选取簇头时没有考虑节点间距离，簇头在簇内位置不确 定，当簇的范围较大时，簇内节点与簇头间的距离相差较大，距离簇 头较远的节点与簇头通信能耗较大，造成簇内节点能耗不均衡；簇间 数据转发时没有考虑节点间的距离以及非簇头节点的数目，由于节点 间通信的能耗与信号传输的距离成比例，当节点间距离较大时，增加 了节点间的通信能耗。针对这些问题，本发明提出一种基于梯度模型 的能量有效非均匀分簇数据转发方法，能够在保障可靠数据传输的同 时，均衡网络中节点的能量消耗，降低网络能量开销，达到提升网络 资源利用率及延长网络存活时间的目的。

本发明解决上述问题的技术方案是：在梯度模型上运行簇机制， 通过非均匀成簇和节点能量、非簇头节点数目、节点相对位置的低梯 度关键节点的动态选择，提高簇间通信的能量有效性为目标完成数据 转发。具体方法如下：

一种基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发方法，网络中的节 点根据各自的梯度值计算簇半径，根据节点剩余能量以及簇头与非簇 头节点的相对位置选取簇头；基于节点剩余能量、非簇头节点数目、 节点间相对位置的低梯度关键节点动态选取下一跳中继节点；非簇头 节点周期性传播数据给簇头节点，簇头节点将其聚合成一个单一的固 定长度的数据包，根据成本代价函数在下一跳节点集合中选择成本代 价函数最小的中继节点进行数据转发。

所述节点的梯度值的确定具体包括：将汇聚节点的梯度值MH_sink设置为0，其它节点的梯度值MH_i设置为无穷大；汇聚节点广播含有 一个值为0的跳数计数器HC的初始化消息，其它节点根据接收消息强 度最大的初始化消息将其梯度值设置为该消息HC的值加1，更新能量 信息，并将消息HC的值用该节点新的梯度值替代，重传该初始化消 息给所有的邻居节点，直到所有节点至少一次根据收到的初始化消息 设置它们新的梯度值。节点根据各自的梯度值计算簇半径具体包括： 根据公式计算第i环簇的半径r_i，其中， k为网络中簇的环数。当第i环和第i-1环簇头的能量均衡消耗时，满足 条件：确定簇头节点具体包括：从网络 中随机选取节点作为暂定簇头，相邻暂定簇头中竞争能力值最大的暂 定簇头成为簇头节点，构建簇头节点集合，非簇头节点从簇头节点集 合中选择竞争能力值最大的簇头与之关联，根据公式 计算暂定簇头节点m的竞争能力值，其 中，E_m.re表示节点m的剩余能量，表示节点m到所在圆环中心 线的距离，ε为功率放大参数。根据公式： $\cos t(m,n)=\alpha \frac{E_{\min }\left(s_m\right)}{E\left(s_n\right)}+\beta \frac{N_{\mathrm{nonCH}}\left(s_n\right)}{N_{\max }\left(s_n\right)}+\gamma \frac{d_{S_n-\sin k}^2+d_{S_m-S_n}^2}{d_{S_m-\sin k}^2}$计算成本代价 函数。

根据节点的梯度值构建簇间路由。因为簇头的梯度值等价于其到 汇聚节点的最小跳数，当为簇头构建下一跳集合时，选取梯度值比当 前小的簇头作为下一跳中继节点，可以确保数据能够沿着梯度值下降 的方向到达汇聚节点，从而实现最小跳数，避免产生回路。如果中继 节点的下一跳是汇聚节点，则直接将数据转发到汇聚节点；否则，该 中继节点继续寻找下一跳节点，重复此过程，直到将数据传输到汇聚 节点，即完成数据转发过程。在确定成本代价函数过程中，选择剩余 能量较大的簇头作为中继节点，中继节点完成数据转发任务需要消耗 更多能量，选择簇成员节点较少的簇头作为中继节点，因为簇成员节 点数目较少的簇头在簇内通信消耗的能量较少，可以节省更多能量用 于簇间数据转发，节点通信的能耗与传输距离成正比，选择合适位置 (选择的路径最短)的簇头作为中继节点，可以降低簇头间数据转发 的能耗。

本发明的方法能够解决簇内节点能耗均衡，簇间数据转发时考虑 节点间的距离以及非簇头节点的数目，在节点间距离较大时，能降低 通信能耗。能够在均衡节点间能量消耗的同时，降低网络能量开销， 达到了提升网络资源利用率及最大化网络存活时间的目的。

附图说明

图1梯度建立流程图；

图2在圆形区域内梯度的建立图；

图3簇头选择流程图；

图4簇的形成流程图；

图5基于梯度模型构建的非均匀簇类图；

图6簇间路由构建流程图；

图7本发明整体结构框图。

具体实施方式

由于现有基于均匀分簇技术的数据转发策略中，簇头节点组成的 骨干网络实现多跳路由带来了一个能量消耗不均衡问题，即靠近基站 的簇头节点由于转发大量数据而负载过重，过早耗尽能量而失效，导 致网络分割，缩短了网络存活时间。因此，本发明在梯度模型上运行 簇机制，通过非均匀成簇和基于节点能量、非簇头节点数目、节点相 对位置的低梯度关键节点的动态选择，以提高簇间通信的能量有效性 为目标完成数据转发。

网络中的节点根据各自的梯度值计算簇半径，根据节点剩余能量 以及簇头与非簇头节点的相对位置选取簇头；基于节点剩余能量、非 簇头节点数目、节点间相对位置的低梯度关键节点动态选取下一跳中 继节点；非簇头节点周期性传播数据给簇头节点，簇头节点将其聚合 成一个单一的固定长度的数据包，根据成本代价函数在下一跳节点集 合中选择成本代价函数最小的中继节点进行数据转发。

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

假设一个半径为R的圆形传感器网络监测区域S，汇聚节点位于 区域S中心，网络中传感节点均匀分布在区域S中，且位置固定，所有 传感节点同构且周期性地传输同样长度的数据。在汇聚节点通信范围 (半径为r的圆)内的传感节点可以直接和汇聚节点通信，所有其他传感 节点以组织的方式形成簇，分别通过簇头进行传输数据。

通过节点跳数的广播信息建立梯度，节点根据自身的梯度值、能 量信息和节点间相对位置信息建立不同大小的簇，所有簇成员节点先 与簇头进行直接通信，再由簇头基于节点剩余能量、节点间距离及簇 成员节点数目选择的低梯度关键节点将数据转发到汇聚节点。本发明 采用了成簇协议中的轮循环运行机制，每一轮包括三个阶段：簇的形 成、簇间路由的构建和数据的稳定传输。

具体可采用以下步骤实施：

1.网络初始化，根据节点跳数建立梯度。可采用如下方法对网络 进行初始化，初始化每个节点的梯度值，初始梯度值用节点到汇聚节 点的最小跳数MH(Minimum Hop)表示，将汇聚节点的梯度值MH_sink设 置为0，其它节点的梯度值MH_i设置为无穷大。汇聚节点以半径为r向 它所有邻居节点广播初始化消息，可将初始化消息中跳数计数器 HC(Hop Counter)的值设为0；当有节点收到该初始化消息，先检查节 点的梯度值，若梯度值为无穷大，节点将其梯度值MH更新为跳数计 数器HC的值加1，更新能量信息，并将该跳数计数器HC的值用节点 新的梯度值替代，节点再继续重传该初始化消息给它所有的邻居节点； 否则，节点丢弃该初始化消息，因为任何一个节点收到重复的初始化 消息必须丢弃，不需要继续传播；重复上述过程，直到所有节点至少 一次根据收到的初始化消息更新它们的梯度值，则初始化消息的传播 过程终止。

2.根据网络中最大簇半径，即第K环簇半径r_K(网络有K簇)、节 点所在圆环的层数(即节点更新的梯度值)，估计不同环内节点簇半 径r_i。令第i环簇头传输数据的平均传输距离为d_i，第i环簇头平均每秒 传输的数据总通信量为L_i(包括簇内通信和簇间通信)。根据无线接 收硬件设备能量消耗模型，即测量第i环簇头平 均每秒的能量消耗，其中，ε为功率放大参数，E_elec表示发射电路损 耗的能量。

为了确保数据能够沿着最小跳数路径方向转发，避免转发路径产 生回路，实现最小跳数路由，第i环簇头传输的数据应该首先传输给 第i-1环的簇头，然后由第i-1环的簇头将数据传输给第i-2环的簇头， 如此循环，直到数据传输到汇聚节点为止。本发明依据不同环内簇头 能量均衡消耗推导出不同环内簇半径的大小。令第i环簇头的平均每 秒传输距离为d_i，第i环簇头平均每秒传输的数据总通信量为L_i，其中 包括簇内通信和簇间通信；根据无线接收硬件设备能量消耗模型，即 能量消耗(其中ω为2或4，ε为功率放大参数，E_elec表示发射电路损耗的能量)来测量第i环簇头平均每秒的能量消耗；因 为第i环簇头传输的数据首先传输给第i-1环的簇头，然后由第i-1环的 簇头将数据传输给第i-2环的簇头，如此循环，直到数据传输到汇聚节 点为止；当第i环和第i-1环簇头的能量均衡消耗时，满足条件： 由于节点是服从均匀分布的，即d_i＝d_i-1， 可得出L_i＝L_i-1，第i环和第i-1环簇头的平均每秒传输距离为d_i，d_i-1， 第i环和第i-1环簇头平均每秒传输的数据总通信量L_i和L_i-1相等；由于 第i环簇头传输的数据通信量L_i包括它本身簇成员节点聚合的通信量 以及从第i+1环到第K环范围内节点传输的通信量，因此，L_i可表示为： $L_i={{\mathrm{c\pi r}}_i}^2\mathrm{\rho \lambda }+c\frac{[\pi {\left(\mathrm{Kr}\right)}^2-\pi {\left(\mathrm{ir}\right)}^2]\mathrm{\rho \lambda }}{\frac{\pi {\left(\mathrm{ir}\right)}^2-\pi {\left((i-1)r\right)}^2}{{{\mathrm{\pi r}}_i}^2}}={{\mathrm{c\pi r}}_i}^2\mathrm{\rho \lambda }+{{\mathrm{c\pi r}}_i}^2\mathrm{\rho \lambda }\frac{K^2-i^2}{i^2-{(i-1)}^2},2\le i\le K,$其 中，r_i表示第i环簇的半径，c(0＜c≤1)是数据聚合的系数，表示簇内通 信量聚集的压缩效果，λ表示传感器产生通信量的平均速率，ρ表示 传感器节点的密度，r_K表示第K环簇的半径；当均衡K层圆环簇头的 能量消耗时，即L_K＝L_K-1＝…＝L_i，可计算出由于第一环内的传感节点可以直接和汇聚节点通信，不需要组织成簇。

如上所述，当均衡K层圆环簇头的能量消耗时，即满足条件 L_K＝L_K-1＝…＝L_i，根据L_i可推算出第i环簇(i层圆环)的簇半径 $r_i=r_K\sqrt{\frac{2i-1}{K^2-{(i-1)}^2}},2\le i\le K.$

3.簇的形成过程：

(1)采用概率方式，根据预先定义的阈值概率T，随机从网络中 选取一些暂定簇头，这些暂定簇头会相互竞争，每个暂定簇头的竞争 范围r_comp是它的簇半径大小。其他节点进入休眠状态，并一直保持休 眠状态直到簇头选择过程终止。

(2)每个暂定簇头构造相邻的暂定簇头集合。每个暂定的簇头广 播一个暂定簇头竞争消息Competehead_msg，这个消息包含簇头的ID、 簇头的梯度值、簇头竞争能力值。在这个阶段，每个控制消息的广播 半径为r(本文可设定r小于阈值d₀)，因为将消息的发送距离限制在阈值 d₀以内，可以避免出现能耗随着距离四次方增长。

(3)当一个暂定的簇头s收到来自节点t的暂定簇头竞争消息 Competehead_msg，簇头s就比较与节点t之间的距离和s的竞争范围之 间的大小。假如s和t有相同的梯度值，即s和t位于同一环内，并且t在s 的竞争范围内，那么t将被添加到s相邻的暂定簇头集合中，否则，对 于不是同一环的暂定簇头竞争消息Competehead_msg以及不在竞争 范围内的节点发送的消息不予处理。

(4)构造完暂定簇头集合后，每个暂定簇头都想竞争成为最后簇 头。首先，相邻暂定簇头集合为空的暂定簇头将会成为一个最后簇头 节点，因为没有其它暂定簇头与之竞争；其他暂定簇头与它们相邻暂 定簇头集合中的节点比较竞争能力值，相邻暂定簇头中竞争能力值最 大的暂定簇头成为簇头。一旦某个暂定簇头发现它的竞争能力值比它 相邻暂定簇头集合中任何一个节点的竞争能力值都大，该暂定簇头将 赢得这次竞争，并广播一个最后簇头消息Finalhead_msg告知它相邻暂 定簇头集合中的节点自己为最后簇头节点；如果一个暂定簇头收到来 自相邻暂定簇头集合中某个节点广播的最后簇头消息Finalhead_msg， 该暂定簇头将会放弃这次竞争过程，并广播一个放弃竞选簇头消息 Quitelection_msg告知它相邻暂定簇头集合中的节点；如果一个暂定簇 头收到来自它相邻暂定簇头集合中某个节点的放弃竞选簇头消息 Quitelection_msg，它将从它的相邻暂定簇头集合中移除该节点。如果 一个暂定簇头在竞争的最后成为了一个簇头，则在该簇头的竞争范围 r_comp内将不会出现其他簇头，确保了相邻位置的节点不可能同时成为 簇头，簇头节点能更均匀的分布在网络中。

(5)簇头选取完后，采用休眠唤醒机制将网络中所有休眠节点唤 醒。每个簇头以相同功率向环内成员节点广播一个簇头竞选获胜消息 CH_ADV_msg，该广播消息中带有簇头标志ID、簇环标志(ID号码， 可定义第i层圆环的ID＝i)，广播半径为簇头节点的簇半径。当非簇头 节点s收到来自簇头节点t的簇头竞选获胜消息CH_ADV_msg后，如果 s和t位于同一环内，s将t添加到它相邻的簇头集合中，对于ID号不是 本层圆环的广播消息不予处理。每个非簇头节点根据簇头竞争能力值 的大小从它的相邻簇头集合中选择竞争能力值最大的簇头与之相关 联，并发送一个加入簇消息JoinCluster_msg告知它的簇头。

4.簇间路由的构建：

除了最外层圆环的簇头节点外每个簇头节点Sn(n＝1,2,…,N,N为 簇头数量)以r为发射半径广播一条消息NODE_STAT_MSG，这条消息 包括簇头ID、节点剩余能量、成员节点数和梯度值HC。

簇头S_m接收到簇头S_n广播的消息后，判断如果簇头S_n的梯度值小 于簇头S_m的梯度值，就把簇头S_n作为簇头S_m转发数据的下一跳节点之 一，簇头S_m计算和簇头S_n的距离。簇头S_m对它收到的所有簇头的广播 消息都进行上面的判断，每次把找到的下一跳节点插入它的下一跳节 点集合。直到簇间路由构建完毕，每个簇头下一跳路由集合中包含了 一到多个下一跳节点(直接与汇聚节点通信的簇头下一跳节点就记为 汇聚节点)。

5.数据传输过程：

非簇头节点周期性传播数据给簇头节点，簇头节点将这些非簇头节点 的数据聚合成一个单一的固定长度的数据包。在簇间路由构建时已经 为每个簇头节点找到了多个下一跳节点，本发明在每轮选择一个下一 跳过程中，综合考虑节点剩余能量、节点间距离和簇成员节点数目， 以提高簇间通信的能量有效性同时确保网络中节点能量均衡消耗。簇 头根据成本代价函数在下一跳节点集合中选择成本代价函数最小的 中继节点进行数据转发，成本代价函数定义为： $\cos t(m,n)=\alpha \frac{E_{\min }\left(s_m\right)}{E\left(s_n\right)}+\beta \frac{N_{\mathrm{nonCH}}\left(s_n\right)}{N_{\max }\left(s_n\right)}+\gamma \frac{d_{S_n-\sin k}^2+d_{S_m-S_n}^2}{d_{S_m-\sin k}^2},$其中，E_min(s_m)表示 簇头Sm下一跳节点集合具有的最小剩余能量，E(s_n)表示簇头Sn的 剩余能量；N_nonCH(s_n)表示簇头Sn的簇成员节点数，N_max(s_m)表示簇头 Sm下一跳节点集合具有的最大簇成员节点数；表示簇头Sm到 簇头Sn的距离，表示簇头Sm到汇聚节点距离，表示簇 头Sn到汇聚节点距离；α，β，γ为正加权系数，且满足α+β+γ＝1。