CN108289317B - 一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法及装置，统计各簇头节点数据包的数量得到各个簇头节点数据传递次数,判断是否高于高频阈值的簇头节点标记为能耗异常簇头节点，将然后进行重新分簇将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径并更新路由表。本公开可以通过一段时间的测试，对新布置的传感器进行实际运行测试，避开数据传输的高频子分簇区域，可以延长传感网络整体的工作寿命，提高整体的网络寿命、传输效率和监测效果与质量，优化后比传统的HEED路由算法通信代价更小。

Description

一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法及装置

技术领域

本公开涉及无线传感网络路由领域，具体涉及一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法及装置。

背景技术

针对大规模分布式的无线传感网络，节点通过一跳直接与基站通信是不现实的，所以现在大多数的无线传感网都采用分簇路由的方法来实现分簇区的分层路由来传输数据，为了减少传送到基站的信息数量，簇首节点负责融合来自簇内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点,由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合于要求连续监控的应用系统,对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的,在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无线传感器网络获取统一的能量分布,尽管LEACH能够提高网络的生存时间，但是协议所使用的假设条件仍存在着一些值得讨论的问题。现在的路由方法中没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点，或者某些簇头节点周围具有大量的节点，导致影响整体的网络寿命和传输效率，影响监测效果与质量。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术的不足，提高整体的网络寿命、传输效率和监测效果与质量。

为了实现上述目的，本公开提供一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法及装置，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1，初始化无线传感网络；

步骤2，将无线传感网络按照无线传感网络路由算法分簇为多个簇区，其中，每个簇区包括至少一个簇头节点；

步骤3，读取无线传感网络最近72小时通信的簇头节点数据包；

步骤4，统计各簇头节点数据包的数量得到各个簇头节点数据传递次数；

步骤5，将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头节点标记为能耗异常簇头节点；

步骤6，将未标记能耗异常的传感器节点按照无线传感网络路由算法进行重新分簇；

步骤7，将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径并更新路由表。

进一步地，在步骤1中，所述初始化无线传感网络包括以下子步骤：

步骤1.1，在待监测区域随机布置无线传感网络节点；

步骤1.2，各传感器节点向无线传感网广播自己ID号以及相对位置信息；

其中，所述ID号为每个无线传感网络节点唯一的标识号，所述相对位置信息根据汇聚节点接收到的各无线传感网络节点广播信号的到达时间得到。

进一步地，在步骤2中，所述无线传感网络路由算法至少包括LEACH算法、HEED算法其中一种。

进一步地，在步骤3中，所述最近72小时通信的簇头节点数据包为最近72小时之内的各簇头节点传输到汇聚节点，汇聚节点传输并存储在基站服务器数据库中的数据包，其中，所述数据包至少包括传输时间。

进一步地，在步骤4中，所述各簇头节点数据包的数量不包括该簇区的除簇头节点外的节点经由簇头节点转发的数据包。

进一步地，在步骤5中，所述高频阈值为：

。

本发明还提供了一种基于大数据分析的无线传感网络路由装置，所述装置包括：

初始化单元，用于初始化无线传感网络；

首次分簇单元，用于将无线传感网络按照无线传感网络路由算法分簇为多个簇区，其中，每个簇区包括至少一个簇头节点；

数据包获取单元，用于读取无线传感网络最近72小时通信的簇头节点数据包；

频次统计单元，用于统计各簇头节点数据包的数量得到各个簇头节点数据传递次数；

异常标记单元，用于将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头节点标记为能耗异常簇头节点；

重新分簇单元，用于将未标记能耗异常的传感器节点按照无线传感网络路由算法进行重新分簇；

路由更新单元，用于将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径并更新路由表。

本公开的有益效果为：本发明公开了一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法，可以通过一段时间的测试，对新布置的传感器进行实际运行测试，避开数据传输的高频子分簇区域，可以延长传感网络整体的工作寿命，提高整体的网络寿命、传输效率和监测效果与质量，优化后比传统的HEED路由算法通信代价更小。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1所示为本公开的一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法的流程图；

图2所示为本公开实施方式的一种基于大数据分析的无线传感网络路由装置。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示为根据本公开的一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本公开的实施方式的一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法。

本公开提出一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1，初始化无线传感网络；

步骤2，将无线传感网络按照无线传感网络路由算法分簇为多个簇区，其中，每个簇区包括至少一个簇头节点；

步骤3，读取无线传感网络最近72小时通信的簇头节点数据包；

步骤4，统计各簇头节点数据包的数量得到各个簇头节点数据传递次数；

步骤5，将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头节点标记为能耗异常簇头节点；

步骤6，将未标记能耗异常的传感器节点按照无线传感网络路由算法进行重新分簇；

步骤7，将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径并更新路由表。

进一步地，在步骤1中，所述初始化无线传感网络包括以下子步骤：

步骤1.1，在待监测区域随机布置无线传感网络节点；

步骤1.2，各传感器节点向无线传感网广播自己ID号以及相对位置信息；

其中，所述ID号为每个无线传感网络节点唯一的标识号，所述相对位置信息根据汇聚节点接收到的各无线传感网络节点广播信号的到达时间得到。

进一步地，在步骤2中，所述无线传感网络路由算法至少包括LEACH算法、HEED算法其中一种。

进一步地，本实施例采用的HEED分簇算法包括以下几个步骤：

l)初始化阶段：每个节点计算其包括计算邻居节点的个数，以及自身的AMRP的值，并且设定初始的成为簇头节点的概率，其中， AMRP为HEED的簇内最小平均功率，用于作为衡量簇内通信代价的标准。

2)迭代阶段：每个节点在每轮的循环中如果发现自身周围有临时簇头节点则进行相应的判断:如果自身也是临时簇头CHprob，并且自身的AMRP的值最小，此时自己的CHprob=1，则宣布自身为最终簇头，否则进行下一轮;如果邻居节点中没有节点宣布自己为临时簇头则自身按照一定的概率成为临时簇头。

备选簇头状态: 当节点簇首比例< 1时，节点为备选簇头状态，若之后发现具有通信代价更小的簇头节点，则其改变状态为普通节，加入该候选簇头。

最终簇头状态: 当节点簇首比例= 1时，节点作为最终簇头状态，并向其邻居节点广播。

3)在迭代结束后，如果临时簇头的邻居中没有其他的临时簇头或者他们的AMRP都比自身小，则该临时簇头关宣布自身为最终的簇头(finalcluster head)，其他节点周围若没有发现最终的簇头节点也宣布自身为最终的簇头节点。否则加入AMRP值最小的临时簇头。

进一步地，在步骤3中，所述最近72小时通信的簇头节点数据包为最近72小时之内的各簇头节点传输到汇聚节点，汇聚节点传输并存储在基站服务器数据库中的数据包，其中，所述数据包至少包括传输时间。

进一步地，在步骤4中，所述各簇头节点数据包的数量不包括该簇区的除簇头节点外的节点经由簇头节点转发的数据包。

进一步地，在步骤5中，所述高频阈值为：

。

进一步地，所述贪婪路由算法为，节点通过定位装置或者通过发送能量递减的测试信号来发现距自己最近的邻居节点，然后从距基站最远的节点开始，采用贪婪算法来构造一条链，这条链就是贪婪路由中的簇。链上的相邻节点是相对位置上距离最短的两个邻居节点，前提是假设这些节点都是静止的。贪婪路由中的数据传输使用令牌(Token)机制：簇头产生一个令牌，发送到链的一端，通知末梢节点开始传输数据，簇头与末梢之间的每个节点接收到数据之后，先与自己采集的数据进行融合处理，再向下一个节点转发，直至数据传输到簇头，簇头收到 一侧的数据后再将令牌发送到链的另一端，开始同样的过程。簇接收到两侧传送来的数据后再发送给基站。

贪婪路由中的数据在距离最短的相邻节点之间传输，因而节点只以最小功率发送数据分组，在每个中间节点还进行了数据融合，这样减少了业务流量，整个网络的功耗也就减少了。而事实上，研究结果也表明，使用贪婪路由的传感器网络的生命周期是使用LEACH的网络的近2倍。

贪婪路由采用令牌方式传送数据，先在簇的一侧融合数据，再在另一侧融合数据，这样却增加了延迟。

本发明还提供了一种基于大数据分析的无线传感网络路由装置，如图2所示，所述装置包括：

初始化单元，用于初始化无线传感网络；

首次分簇单元，用于将无线传感网络按照无线传感网络路由算法分簇为多个簇区，其中，每个簇区包括至少一个簇头节点；

数据包获取单元，用于读取无线传感网络最近72小时通信的簇头节点数据包；

频次统计单元，用于统计各簇头节点数据包的数量得到各个簇头节点数据传递次数；

异常标记单元，用于将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头节点标记为能耗异常簇头节点；

重新分簇单元，用于将未标记能耗异常的传感器节点按照无线传感网络路由算法进行重新分簇；

路由更新单元，用于将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径并更新路由表。

本实施例采用OPNET进行仿真，是一个网络仿真技术软件包，它能准确的分析复杂网络的性能和行为。在网络模型中的任何地方都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出能够以图形化显示、数字方式观察、输出到第三方的软件包去。其产品结构通常有三个模块组成，能为用户提供一系列的仿真模型库，在电信、航天航空、军事、系统集成、大学、咨询服务、行政机关等方面被广泛应用。

在OPNET仿真模型中，设定了一个 sink 节点和多个感应节点，这些感应节点有些作为源节点，有些作为中继节点，有些则在某次任务中暂时不发挥作用。节点的角色是随着任务的不同，以及目标状况不断变换的。

在 sink节点的进程中，我进行了一些对 sink 节点的设定。其中主要实现的是能量监视功能，首先设置特定的能量消耗和能量储备，我们能够动态模拟系统的能量变化情况。节点的能量也是可以耗尽的，我们设定了一个标识符以及对一些特定时刻的记录，这些将会在对节点进行管理的时候发挥作用。

针对节点的剩余能量、总能量和数据延迟进行了仿真观测。其中，剩余能量、总能量和数据延迟都是局部变量，它们都反映了一个节点的状态变化。

在我们的仿真中，我们设定了每个节点的总能量值以及在某些特殊情况下的节点能量消耗值。具体的设置如下：

#define RECV_CONTROL_ENERGY RX_ENERGY*CONTROL_MESSAGE ；

#define RECV_DATA_ENERGY RX_ENERGY*DATA_MESSAGE ；

#define TRANS_CONTROL_ENERGY TX_RF*CONTROL_MESSAGE ；

#define TRANS_DATA_ENERGY TX_RF*DATA_MESSAGE ；

本公开的路由方法规定的节点在扮演不同类型的角色时，它们的能量消耗情况，这些消耗值是有差别的，个体能量消耗可以根据要求具体设置。关于能量转化问题，参考如下语句。

剩余能量变化：

Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=TX_RF*CONTROL_MESSAGE；

Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=TX_RF*DATA_MESSAGE；

Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=RECV_DATA_ENERGY；

Energy_stathandle_ptr->remain_energy-=RECV_CONTROL_ENERGY；

总能量变化：

total_energy-=TX_RF*CONTROL_MESSAGE；

total_energy-=TX_RF*DATA_MESSAGE；

total_energy-=RECV_DATA_ENERGY；

total_energy-=RECV_CONTROL_ENERGY；

总能量支出变化：

total_energy_consume+=TX_RF*CONTROL_MESSAGE；

total_energy_consume+=TX_RF*DATA_MESSAGE；

total_energy_consume+=RECV_DATA_ENERGY；

total_energy_consume+=RECV_CONTROL_MESSAGE_ENERGY；

优选的，能量与延迟是负增长。因此本公开提出的路由协议比较适合对节点寿命要求比较高、对时延要求比较低的场合。

在OPNET仿真环境下，我们通过建立网络范围200×200，网络节点数为300，节点随机分布而且无线传感器网络仿真场景静止，其发送接收最大参考距离为15；节点采用IEEE802.11MAC层协议，带宽2Mb/s；观测节点一个，位于网络场景右上角，目标区域在左下角；仿真过程中假定目标区域节点通过聚合处理，只有一个传感节点返回匹配数据；仿真时间为网络生存期结束。因为节点的通信能耗比重最大，所以不考虑感知能耗。设置节点能量为14000单位，发送、接收一个分组消耗5单位。仿真结果置信度0.95，其余主要仿真参数包括：观测节点兴趣泛洪周期300s；传感节点兴趣匹配后产生280个数据分组包；数据分组包数据负载1024Byte。

采用本公开的路由方法与采用默认最小延迟策略的传统HEED路由方法的性能比较，考察分簇型网络和不分簇型网络两类网络的生存期。从平均时延来看，本公开的路由方法能获得最佳性能。分组传输率在各种情景下均较高，原因是节点静止且网络拓扑稳定，而2Mbs带宽足以满足业务带宽需要。从不分簇型网络生存期来看，采用本公开的路由方法比传统HEED路由方法提高了50%，而且大数据分析处理后则提高了540%；从分簇型网络生存期来看,采用本公开的路由方法仅比传统HEED路由方法提高了7%，而大数据分析处理后则提高了21%。试验结果表明改进后算法可对两类业务提供有保证的差别服务，同时可在全网范围内实现能量资源的充分有效利用，实现网络能耗均衡。本公开的路由方法的性能提升较小，原因是贪婪算法的最小跳策略与传统HEED路由方法的最小延迟策略类似，但是兼顾考虑最大化路径能量瓶颈还是明显提升了性能。从协议代价上来看,大数据分析改进后算法有一些增加，原因是更复杂的能耗标记建立策略以及簇头替换机制所导致的协议控制开销。

特别地，本发明所述一种基于大数据分析的无线传感网络路由装置，可以通过一段时间的测试，对新布置的传感器进行实际运行路由测试，避开高频数据传输的子分簇区域，可以延长传感网络整体的工作寿命，优化后比传统的HEED路由算法通信代价更小。

尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims (6)

1.一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法，其特征在于，所述路由方法包括以下步骤：

步骤1，初始化无线传感网络；

步骤2，将无线传感网络按照无线传感网络路由算法分簇为多个簇区，其中，每个簇区包括至少一个簇头节点；

步骤3，读取无线传感网络最近72小时通信的簇头节点数据包；

步骤4，统计各簇头节点数据包的数量得到各个簇头节点数据传递次数；

步骤5，将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头节点标记为能耗异常簇头节点；

其中，所述高频阈值为：

；

步骤6，将未标记能耗异常的传感器节点按照无线传感网络路由算法进行重新分簇；

步骤7，将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径并更新路由表；

其中，将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径的方法为：簇头节点通过定位装置或者通过发送能量递减的测试信号来发现距自己最近的邻居节点，然后从距基站最远的簇头节点开始，采用贪婪算法来构造一条链，这条链就是贪婪路由中的簇；贪婪路由中的数据传输使用令牌机制：簇头产生一个令牌，发送到链的一端，通知末梢节点开始传输数据，簇头与之间的每个节点接收到数据之后，先与自己采集的数据进行融合处理，再向下一个节点转发，直至数据传输到簇头，簇头收到 一侧的数据后再将令牌发送到链的另一端，开始同样的过程；簇接收到两侧传送来的数据后再发送给基站。

2.根据权利要求1所述的一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法，其特征在于，在步骤1中，所述初始化无线传感网络包括以下子步骤：

步骤1.1，在待监测区域随机布置无线传感网络节点；

步骤1.2，各传感器节点向无线传感网广播自己ID号以及相对位置信息；

其中，所述相对位置信息根据汇聚节点接收到的各无线传感网络节点广播信号的到达时间得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法，其特征在于，在步骤2中，所述无线传感网络路由算法至少包括LEACH算法、HEED算法其中一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法，其特征在于，在步骤3中，所述最近72小时通信的簇头节点数据包为最近72小时之内的各簇头节点传输到汇聚节点，汇聚节点传输并存储在基站服务器数据库中的数据包，其中，所述数据包至少包括传输时间。

5.根据权利要求1所述的一种基于大数据分析的无线传感网络路由方法，其特征在于，在步骤4中，所述各簇头节点数据包的数量不包括该簇区的除簇头节点外的节点经由簇头节点转发的数据包。

6.一种基于大数据分析的无线传感网络路由装置，其特征在于，所述装置包括：

初始化单元，用于初始化无线传感网络；

首次分簇单元，用于将无线传感网络按照无线传感网络路由算法分簇为多个簇区，其中，每个簇区包括至少一个簇头节点；

数据包获取单元，用于读取无线传感网络最近72小时通信的簇头节点数据包；

频次统计单元，用于统计各簇头节点数据包的数量得到各个簇头节点数据传递次数；

异常标记单元，用于将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头节点标记为能耗异常簇头节点；

其中，所述高频阈值为：

；

重新分簇单元，用于将未标记能耗异常的传感器节点按照无线传感网络路由算法进行重新分簇；

路由更新单元，用于将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径并更新路由表；

其中，将重新分簇后的簇头节点按照贪婪路由算法计算传输路径的方法为：簇头节点通过定位装置或者通过发送能量递减的测试信号来发现距自己最近的邻居节点，然后从距基站最远的簇头节点开始，采用贪婪算法来构造一条链，这条链就是贪婪路由中的簇；贪婪路由中的数据传输使用令牌机制：簇头产生一个令牌，发送到链的一端，通知末梢节点开始传输数据，簇头与之间的每个节点接收到数据之后，先与自己采集的数据进行融合处理，再向下一个节点转发，直至数据传输到簇头，簇头收到 一侧的数据后再将令牌发送到链的另一端，开始同样的过程；簇接收到两侧传送来的数据后再发送给基站。

Images