[發(fā)明專利]一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于GAF改進(jìn)分簇機(jī)制的熱區(qū)問題解決方案

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210006185.8
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN102572995A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳滌;王偉才
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W84/18
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 王緒銀

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于GAF改進(jìn)分簇機(jī)制的熱區(qū)問題解決方案，屬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的智能節(jié)點(diǎn)組成，這些智能節(jié)點(diǎn)靠無線和多跳方式進(jìn)行通信，自主組成網(wǎng)絡(luò)，通過相互直接的協(xié)調(diào)來采集目標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給觀察者。傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成單位，由于節(jié)點(diǎn)微小，通常只能攜帶有能量十分有限的電池。而傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能達(dá)到，所以一旦投放使用，將很難再補(bǔ)充能量，因此節(jié)能對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是至關(guān)重要的課題。為了在能量有限的情況下延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效壽命，人們提出了若干節(jié)能的路由協(xié)議。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)在為了節(jié)約能量均采用分簇機(jī)制，即在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)一定的規(guī)則劃分一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)組成一個簇，其中一個節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首，其余簇內(nèi)成員都將數(shù)據(jù)傳遞給簇首，由簇首負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，但簇首并不是直接將數(shù)據(jù)傳遞給基站，而是根據(jù)路由協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳遞給其它的簇首進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終將數(shù)據(jù)傳遞給基站。根據(jù)數(shù)據(jù)需要幾次傳遞給基站可以將簇劃分在不同的層里面，直接將數(shù)據(jù)傳遞給基站的簇屬于第0層，需要轉(zhuǎn)發(fā)一次的簇屬于第1層，依次類推。

GAF(geographical?adaptive?fidelity)改進(jìn)分簇機(jī)制是典型的基于節(jié)點(diǎn)地理位置的分簇算法。和GAF算法相比，GAF改進(jìn)分簇機(jī)制在簇首選擇中考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，不再是完全的隨機(jī)產(chǎn)生，從而比GAF算法更加合理的利用能量。但也存在一些缺陷：靠近基站的簇需要比外層的簇承擔(dān)更多的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的責(zé)任，從而讓越靠近基站的簇首消耗能量越多，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗完畢，網(wǎng)絡(luò)過早失去連接，這就是所謂的熱區(qū)問題。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的缺陷與不足，本發(fā)明提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于GAF改進(jìn)分簇機(jī)制的熱區(qū)問題解決方案。

本發(fā)明在GAF改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上，采用控制活動節(jié)點(diǎn)數(shù)目來平衡各層簇間的負(fù)載，即讓越靠近基站的簇里活動節(jié)點(diǎn)在滿足服務(wù)質(zhì)量的前提下盡可能的少些，同時讓其余節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)死亡時喚醒其中一個節(jié)點(diǎn)，從而讓這些簇中簇首用于收集信息的能量消耗少些，并且有更多的冗余節(jié)點(diǎn)可以用來替代死亡節(jié)點(diǎn)。這樣可以有更多的能量來承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的任務(wù)。通過這種方案來盡可能的緩解上述熱區(qū)問題，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

一種基于GAF改進(jìn)算法分簇模型的熱區(qū)問題解決方案，在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布，基站在區(qū)域的中央；首先根據(jù)GAF改進(jìn)分簇機(jī)制，將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為虛擬的單元格，每個單元格為一個簇，每個簇內(nèi)有相同數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，記為X，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量選舉出簇首，然后根據(jù)外圍簇的個數(shù)，基站對整個簇需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行評估，最后根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能量消耗計算出不同層之間的簇內(nèi)需配置的活動節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的比例；傳感器節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量記為E，發(fā)送和接收單位數(shù)據(jù)消耗的能量均為常數(shù)，分別為T₀和R₀，傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生周期性常量負(fù)載P，基于GAF改進(jìn)算法分簇模型的熱區(qū)問題解決方案如下：

(1)基站根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的面積，將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為N個虛擬的單元格，并將每個節(jié)點(diǎn)隸屬于哪個單元格的信息告訴所有的傳感器節(jié)點(diǎn)，由于所有的區(qū)域都可以通過增補(bǔ)變成正方形，所以每一層的簇個數(shù)Cn＝8×n-4(n＝1，2，…M)，其中n為層數(shù)；

(2)根據(jù)經(jīng)典的GAF改進(jìn)算法，利用基站廣播的信息，屬于同一個單元格的節(jié)點(diǎn)自主組成一個簇，然后各簇成員之間通過廣播通信來了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首，如果所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量都相同，則每個節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)產(chǎn)生一個小于1的數(shù)，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)最小的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首；

(3)計算每一層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，由于網(wǎng)絡(luò)的對稱性，隸屬于同一個層的每個簇的活動節(jié)點(diǎn)數(shù)均相同，記為An，每一層的數(shù)據(jù)量為P*An*Cn；

(4)計算每一層需要轉(zhuǎn)發(fā)的全部數(shù)據(jù)量，比本層離基站更遠(yuǎn)一些的所有層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都由本層的簇進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，所以第i層需要轉(zhuǎn)發(fā)的所有的數(shù)據(jù)量為自己層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和比本層離基站更遠(yuǎn)一些的所有層需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量之和，共為