專利名稱：路由方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，尤其涉及一種路由方法及系統。
背景技術：
WSNsCffireless Sensor Networks,無線傳感器網絡)是物聯網的重要組成部分。隨著物聯網技術的不斷發展，無線傳感器網絡也成為21世紀最重要的創新性技術之一。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點(Sensor)和匯聚節點(SinkNode)組成的，傳感器節點和匯聚節點通過無線通信方式組成多跳自組織網絡系統，傳感器節點通過協作方式(為了充分發揮傳感器網絡的監測能力，必須協作網絡中眾多資源有限的傳感器節點，以有效解決監控區域內數據的采集、處理、傳輸及展示問題，這樣一種方式叫協作方式)將網絡覆蓋區域中感知對象的信息傳輸到匯聚節點，匯聚節點再傳輸給觀測者分析及處理。 傳感器節點具有的電源能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。因此，無線傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效使用。路由算法執行效率的高低直接決定了傳感器節點收發控制性數據與有效采集數據的比率，從而影響到整個傳感器網絡的能耗與壽命，因此，路由算法是無線傳感器網絡網絡層的核心內容。無線傳感器網絡路由協議是否能夠最大限度地節約節點能耗、維持網絡結構穩定，是無線傳感器網絡技術發展的重要方向。節能、高效的路由算法一直是無線傳感器網絡領域的研究人員研究的熱點。目前，大部分路由算法都是基于分簇機制，非簇頭節點將采集到的數據傳輸給簇頭節點，再由簇頭節點融合轉發。分簇有利于分布式算法的應用，適合大規模部署的網絡，減少了數據通信量，可以顯著地延長整個網絡的生命周期。無線傳感器網絡是集成了監測、控制和無線通信的無線網絡系統，協作式的采集、處理和發布感知信息是無線傳感器網絡的基本功能。因此，無線傳感器網絡的節點數目更為龐大(上千甚至上萬個)，傳感器節點分布更為密集；與此同時，網絡拓撲結構中的高密集度使得距離很近的傳感器節點之間的數據傳輸，存在很大程度的空間相關性。傳感器節點距離越近，空間相關度越高。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種路由方法及系統，降低無線傳感器網絡的節點功耗。為解決上述技術問題，本發明提出了一種路由方法，用于無線傳感器網絡，包括在設定的選擇周期開始后，根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點；根據所述簇頭節點對所述無線傳感器網絡中的各節點進行分簇；按照分簇結果進行路由。進一步地，上述路由方法還可具有以下特點，所述根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點包括在開始建立無線傳感器網絡之前，隨機選擇K個節點作為初始簇頭節點，其中，K為自然數；重復進行簇頭節點調整；對簇頭節點調整的次數進行計數，在計數達到設定重復次數值后停止簇頭節點調
難
iF. O 進一步地，上述路由方法還可具有以下特點，所述簇頭節點調整包括根據簇頭節點的位置信息，對于無線傳感器網絡內的每個節點，計算本節點與簇頭節點之間的距離，并根據距離計算結果將本節點加入到距離最小的簇頭節點所在的簇中；在每個簇中，對于本簇中的每個節點i，計算本簇中各節點j與節點i的距離之和LiiLi=SUM Cclij) (j=l. . . m,),其中，(Iij為節點i與節點j的距離，“SUM”表示求和，m為該簇中節點數量，i、j、m均為自然數；計算每個簇中各節點的選擇值Ki,Ki=EiAi,其中,Ei為簇內各節點的剩余能量與初始能量之間的比值，將每個簇中選擇值Ki最大的節點作為該簇的簇頭節點。進一步地，上述路由方法還可具有以下特點，所述根據所述簇頭節點對所述無線傳感器網絡中的各節點進行分簇包括對無線傳感器網絡內的每個節點，計算該節點與各簇頭節點之間的距離，選出距離最小值對應的簇頭節點，將該節點加入到該選出的簇頭節點所在的簇中。進一步地，上述路由方法還可具有以下特點，所述按照分簇結果進行路由包括按照分簇結果，非簇頭節點將自身采集的數據傳輸給自身所在簇的簇頭節點，該簇頭節點再將所述數據融合轉發給基站。為解決上述技術問題，本發明提出了一種路由系統，用于無線傳感器網絡，包括簇頭選擇模塊，用于在設定的選擇周期開始后，根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點；分簇模塊，用于根據所述簇頭選擇模塊選擇的簇頭節點對所述無線傳感器網絡中的各節點進行分簇；路由模塊，用于按照所述分簇模塊的分簇結果進行路由。進一步地，上述路由系統還可具有以下特點，所述簇頭選擇模塊包括初選單元，用于在開始建立無線傳感器網絡之前，隨機選擇K個節點作為初始的簇頭節點，其中，K為自然數；調整單元，用于在所述初選單元選擇出初始的簇頭節點后重復進行簇頭節點調整；計數單元，用于對所述調整單元進行簇頭節點調整的次數進行計數，在計數達到設定重復次數值后停止簇頭節點調整。進一步地，上述路由系統還可具有以下特點，所述調整單元包括距離計算子單元，用于根據簇頭節點的位置信息，對于無線傳感器網絡內的每個節點，計算本節點與簇頭節點之間的距離，并根據距離計算結果將本節點加入到距離最小的簇頭節點所在的簇中；
距離和計算子單元，用于在所述距離計算子單元處理完畢后，在每個簇中，對于本簇中的每個節點i，計算本簇中各節點j與節點i的距離之和LyLi=SUM Cdij) (j=l. . . m,),其中，du為節點i與節點j的距離，“SUM”表示求和，m為該簇中節點數量，i、j、m均為自然數；選擇值計算及調整子單元，用于在所述距離和計算子單元處理完畢后，計算每個簇中各節點的選擇值Ki, Ki=EiAi,其中，Ei為簇內各節點的剩余能量與初始能量之間的比值，Li為距離和計算子單元計算所得的本簇中各節點與節點i的距離之和，將每個簇中選擇值1最大的節點作為該簇的簇頭節點。進一步地，上述路由系統還可具有以下特點，所述分簇模塊包括第一分簇單元，用于對無線傳感器網絡內的每個節點，計算該節點與各簇頭節點之間的距離，選出距離最小值對應的簇頭節點，將該節點加入到該選出的簇頭節點所在的簇中。·
進一步地，上述路由系統還可具有以下特點，所述路由模塊包括第一路由單元，用于按照分簇結果，非簇頭節點將自身采集的數據傳輸給自身所在簇的簇頭節點，該簇頭節點再將所述數據融合轉發給基站。本發明的路由方法及系統，在簇頭的選擇上，使得相鄰的節點盡量的聚集在一個簇中，使同簇節點之間盡可能的緊湊，簇間節點盡可能的分開。這樣最大限度地將鄰近節點集中分簇，便于更充分的利用節點之間的空間相關性，方便進行數據的去冗余及數據融合，從而達到降低節點能耗、均衡全網能量的目的，并因此有效地延長了無線傳感器網絡的壽命O


圖I為本發明實施例中簇頭節點選擇流程圖；圖2為無線傳感器網絡的各節點經過圖I的步驟101后的場景圖；圖3為圖I中步驟103的示意圖；圖4為無線傳感器網絡的各節點經過圖I的步驟104后的場景圖；圖5為本發明實施例中路由系統的結構框圖。
具體實施例方式本發明的主要構思是充分利用協作節點之間的空間相關性，以改善通信協議的性能，降低能耗。以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。根據以上構思，本發明提出了一種路由方法，用于無線傳感器網絡，該方法包括以下步驟步驟一，在設定的選擇周期開始后，根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點(簡稱簇頭);簇頭節點是指被選作匯聚節點的傳感器節點，非簇頭節點指的是普通的傳感器節點，也即沒有被選作匯聚節點的傳感器節點。在本發明中，傳感器節點與匯聚節點只是功能上的區分，傳感器節點與匯聚節點的通信能力、電源、計算能力是一樣的。無線傳感器網絡穩定一段時間之后，簇頭節點能耗消耗較大。因此，步驟一中設置了選擇周期，在每一個選擇周期開始后，重新選擇簇頭，這樣就實現了平衡各節點能耗的目的，有助于延長無線傳感器網絡的工作壽命。選擇周期不宜設置過大也不宜設置太小，太小會使得分簇過于頻繁而消耗能量，太大則會導致簇頭節點能量消耗過快，不能達到能量均衡的目的。步驟二，根據選擇的簇頭節點對無線傳感器網絡中的各節點進行分簇；具體地，步驟二可以采用如下方式進行分簇對無線傳感器網絡內的每個節點，計算該節點與各簇頭節點之間的距離，選出距離最小值對應的簇頭節點，將該節點加入到該選出的簇頭節點所在的簇中。步驟三，按照分簇結果進行路由。 具體地，步驟三可以采用如下方式進行路由按照分簇結果，非簇頭節點將自身采集的數據傳輸給自身所在簇的簇頭節點，該簇頭節點再將數據融合轉發給基站。其中，非簇頭節點是指除簇頭節點外的其他節點。融合是指對采集到的有用信息綜合處理，如過濾、壓縮及合成等，從而得到更為準確、更為有用的信息。其中，步驟一可以采用圖I的流程來選擇簇頭節點。圖I為本發明實施例中簇頭節點選擇流程圖。如圖I所示，本實施例中，簇頭節點的選擇可以采用如下步驟步驟101，從無線傳感器網絡的全部節點中任意選擇K個節點作為初始簇頭，其中，K為自然數；初始簇頭是由基站隨機選擇的，基站將這K個初始簇頭節點的信息向全網(無線傳感器網絡)廣播，告知被選作為初始簇頭節點的信息。圖2為無線傳感器網絡的各節點經過圖I的步驟101后的場景圖。圖2中，基站與初始簇頭直接通信，各普通節點是按照初始簇頭進行分簇的，最終的選舉簇頭此時是簇中的普通節點。圖2中，選舉簇頭是指通過圖I的流程選擇的簇頭節點。步驟102，根據簇頭節點的位置信息，計算每個節點與這些簇頭的距離，并根據最小距離將節點加入到相應的簇中；假設節點i與第I至K個簇頭節點的距離分別為d(l)、d(2)、d(3)……d(k-l)、d (k)，其中，d (j)最小，j為自然數，且I ( j ( K，則將節點i加入到第j個簇頭所在的簇中。步驟103,對于本簇中的每個節點i,計算本簇中各節點j與節點i的距離之和Li,其中Li=SUM Cclij) (j=l. . .m,m為該簇中節點數量)，(Iij為節點i與節點j的距離，“SUM”表示求和，i、j、m均為自然數；圖3為圖I中步驟103的示意圖。如圖3所示，該簇中共有m個節點，簇中各節點與節點i的距離之和為Li,簇中各節點與節點j的距離之和為Lp則根據步驟103，有Ι^=(1η+(1 2+(1ν·+(1 ηι，Lj = d^+d^+d^+…+djm。L值最小的節點，更接近于簇內的“質心”位置，從而有更好的集聚性。步驟104,計算每個簇中各節點的選擇值Ki,Ki=Ei/!^,其中Ei為簇內各節點的剩余能量與初始能量的比值，即Ei=簇中第i個節點的剩余能量/簇中第i個節點的初始能量，將選擇值Ki最大的節點作為簇頭。步驟104將節點的剩余能量值作為簇頭選擇中的一個因素，這樣能夠均衡網絡能量，延長網絡工作壽命。步驟102至步驟104是重復進行簇頭節點調整。圖4為無線傳感器網絡的各節點經過圖I的步驟104后的場景圖。圖4中，基站與選舉簇頭直接通信，各普通節點是按照選舉簇頭進行分簇的，初始簇頭此時是簇中的普通節點。圖4中，選舉簇頭是指通過圖I的流程選擇的簇頭節點。由步驟102至步驟104可見，簇頭選擇、節點入簇都是基于距離而進行的，這樣可以盡量讓簇內節點聚集，而簇間節點分開，如此一來，簇內節點的空間相關性大，從而方便利用節點之間的空間相關性進行數據的去冗余和數據融合處理。步驟105，判斷計數是否大于S，若是則結束，停止簇頭選擇，否則執行步驟102。·
這里，S是設定重復次數值，即預先設置的重復次數的上限值。每執行完一次步驟102至步驟104，計數就增I，直到計數值達到設定重復次數值S，就停止重復執行步驟102至步驟104 了。本發明的路由方法，在簇頭的選擇上，使得相鄰的節點盡量的聚集在一個簇中，使同簇節點之間盡可能的緊湊，簇間節點盡可能的分開。這樣最大限度地將鄰近節點集中分簇，便于更充分的利用節點之間的空間相關性，方便進行數據的去冗余及數據融合，從而達到降低節點能耗、均衡全網能量的目的，并因此有效地延長了無線傳感器網絡的壽命。本發明還提出了一種路由系統，用以執行上述的路由方法，上述路由方法中的所有描述均適用于本發明的路由系統。圖5為本發明實施例中路由系統的結構框圖。圖5的路由系統用于無線傳感器網絡。如圖5所示，本實施例中，路由系統包括順次相連的簇頭選擇模塊410、分簇模塊420和路由模塊430。其中，簇頭選擇模塊410用于在設定的選擇周期開始后，根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點。分簇模塊420用于根據簇頭選擇模塊410選擇的簇頭節點對無線傳感器網絡中的各節點進行分簇。路由模塊430用于按照分簇模塊420的分簇結果進行路由。在本發明實施例中，簇頭選擇模塊410可以進一步包括初選單元、調整單元和計數單元。初選單元用于在開始建立無線傳感器網絡之前，隨機選擇K個節點作為初始的簇頭節點，其中，K為自然數。調整單元用于在初選單元選擇出初始的簇頭節點后重復進行簇頭節點調整。計數單元用于對調整單元進行簇頭節點調整的次數進行計數，在計數達到設定重復次數值后停止簇頭節點調整。在本發明實施例中，上述的調整單元還可以進一步包括距離計算子單元、距離和計算子單元和選擇值計算及調整子單元。距離計算子單元用于根據簇頭節點的位置信息，對于無線傳感器網絡內的每個節點，計算本節點與簇頭節點之間的距離，并根據距離計算結果將本節點加入到距離最小的簇頭節點所在的簇中。距離和計算子單元用于在距離計算子單元處理完畢后，在每個簇中，對于本簇中的每個節點i，計算本簇中各節點j與節點i的距離之和L^Li=SUM ((Iij) (j=l. . . m,),其中，(Iij為節點i與節點j的距離，“SUM”表示求和，m為該簇中節點數量，i、j、m均為自然數。選擇值計算及調整子單元用于在距離和計算子單元處理完畢后，計算每個簇中各節點的選擇值Ki, Ki=EiAi,其中，Ei為簇內各節點的剩余能量與初始能量之間的比值，Li為距離和計算子單元計算所得的本簇中各節點與節點i的距離之和，將每個簇中選擇值Ki最大的節點作為該簇的簇頭節點。在本發明實施例中，分簇模塊可以包括第一分簇單元。第一分簇單元用于對無線傳感器網絡內的每個節點，計算該節點與各簇頭節點之間的距離，選出距離最小值對應的簇頭節點，將該節點加入到該選出的簇頭節點所在的簇中。在本發明實施例中，路由模塊可以包括第一路由單元。第一路由單元用于按照分簇結果，非簇頭節點將自身采集的數據傳輸給自身所在簇的簇頭節點，該簇頭節點再將所述數據融合轉發給基站。本發明的路由系統，在簇頭的選擇上，使得相鄰的節點盡量的聚集在一個簇中，使同簇節點之間盡可能的緊湊，簇間節點盡可能的分開。 這樣最大限度地將鄰近節點集中分簇，便于更充分的利用節點之間的空間相關性，方便進行數據的去冗余及數據融合，從而達到降低節點能耗、均衡全網能量的目的，并因此有效地延長了無線傳感器網絡的壽命。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種路由方法，用于無線傳感器網絡，其特征在于，包括 在設定的選擇周期開始后，根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點； 根據所述簇頭節點對所述無線傳感器網 絡中的各節點進行分簇； 按照分簇結果進行路由。
2.根據權利要求I所述的路由方法，其特征在于，所述根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點包括 在開始建立無線傳感器網絡之前，隨機選擇K個節點作為初始簇頭節點，其中，K為自然數； 重復進行簇頭節點調整； 對簇頭節點調整的次數進行計數，在計數達到設定重復次數值后停止簇頭節點調整。
3.根據權利要求2所述的路由方法，其特征在于，所述簇頭節點調整包括 根據簇頭節點的位置信息，對于無線傳感器網絡內的每個節點，計算本節點與簇頭節點之間的距離，并根據距離計算結果將本節點加入到距離最小的簇頭節點所在的簇中；在每個簇中，對于本簇中的每個節點i，計算本簇中各節點j與節點i的距離之和Li,Li=SUM Cclij) (j=l. . . m,),其中，(Iij為節點i與節點j的距離，“SUM”表示求和，m為該簇中節點數量，i、j、m均為自然數； 計算每個簇中各節點的選擇值Ki,Ki=EiZli,其中，Ei為簇內各節點的剩余能量與初始能量之間的比值，將每個簇中選擇值Ki最大的節點作為該簇的簇頭節點。
4.根據權利要求I所述的路由方法，其特征在于，所述根據所述簇頭節點對所述無線傳感器網絡中的各節點進行分簇包括 對無線傳感器網絡內的每個節點，計算該節點與各簇頭節點之間的距離，選出距離最小值對應的簇頭節點，將該節點加入到該選出的簇頭節點所在的簇中。
5.根據權利要求I所述的路由方法，其特征在于，所述按照分簇結果進行路由包括 按照分簇結果，非簇頭節點將自身采集的數據傳輸給自身所在簇的簇頭節點，該簇頭節點再將所述數據融合轉發給基站。
6.一種路由系統，用于無線傳感器網絡，其特征在于，包括 簇頭選擇模塊，用于在設定的選擇周期開始后，根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點； 分簇模塊，用于根據所述簇頭選擇模塊選擇的簇頭節點對所述無線傳感器網絡中的各節點進行分簇； 路由模塊，用于按照所述分簇模塊的分簇結果進行路由。
7.根據權利要求6所述的路由系統，其特征在于，所述簇頭選擇模塊包括 初選單元，用于在開始建立無線傳感器網絡之前，隨機選擇K個節點作為初始的簇頭節點，其中，K為自然數； 調整單元，用于在所述初選單元選擇出初始的簇頭節點后重復進行簇頭節點調整；計數單元，用于對所述調整單元進行簇頭節點調整的次數進行計數，在計數達到設定重復次數值后停止簇頭節點調整。
8.根據權利要求6所述的路由系統，其特征在于，所述調整單元包括距離計算子單元，用于根據簇頭節點的位置信息，對于無線傳感器網絡內的每個節點，計算本節點與簇頭節點之間的距離，并根據距離計算結果將本節點加入到距離最小的簇頭節點所在的簇中； 距離和計算子單元，用于在所述距離計算子單元處理完畢后，在每個簇中，對于本簇中的每個節點i，計算本簇中各節點j與節點i的距離之和Li, Li=SUM ((Iij) (j=l. . . m,),其中，Clij為節點i與節點j的距離，“SUM”表示求和,m為該簇中節點數量，i、j、m均為自然數； 選擇值計算及調整子單元，用于在所述距離和計算子單元處理完畢后，計算每個簇中各節點的選擇值Ki, Ki=EiZli,其中，Ei為簇內各節點的剩余能量與初始能量之間的比值，Li為距離和計算子單元計算所得的本簇中各節點與節點i的距離之和，將每個簇中選擇值Ki最大的節點作為該簇的簇頭節點。
9.根據權利要求6所述的路由系統，其特征在于，所述分簇模塊包括 第一分簇單元，用于對無線傳感器網絡內的每個節點，計算該節點與各簇頭節點之間的距離，選出距離最小值對應的簇頭節點，將該節點加入到該選出的簇頭節點所在的簇中。
10.根據權利要求6所述的路由系統，其特征在于，所述路由模塊包括 第一路由單元，用于按照分簇結果，非簇頭節點將自身采集的數據傳輸給自身所在簇的簇頭節點，該簇頭節點再將所述數據融合轉發給基站。
全文摘要
本發明涉及一種路由方法及系統。路由方法用于無線傳感器網絡，包括在設定的選擇周期開始后，根據無線傳感器網絡中各節點之間的空間相關性和各節點的剩余能量選擇簇頭節點；根據所述簇頭節點對所述無線傳感器網絡中的各節點進行分簇；按照分簇結果進行路由。本發明的路由方法及系統，在簇頭的選擇上，使得相鄰的節點盡量的聚集在一個簇中，使同簇節點之間盡可能的緊湊，簇間節點盡可能的分開。這樣最大限度地將鄰近節點集中分簇，便于更充分的利用節點之間的空間相關性，方便進行數據的去冗余及數據融合，從而達到降低節點能耗、均衡全網能量的目的，并因此有效地延長了無線傳感器網絡的壽命。
文檔編號H04W40/04GK102905336SQ20121033341
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者王志磊, 翟立東, 朱宇佳, 張方嬌 申請人:中國科學院信息工程研究所