[發(fā)明專利]一種WSN分布式非均勻分簇方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210166856.7
• 申請日: 2012-05-25
• 公開（公告）號: CN102665251A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳玉成;謝璐;王煒;馮珊;江濤
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/24;H04W84/18
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)中的分簇算法，具體地說，是一種WSN分布式非均勻分簇方法。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless?Sensor?Networks：WSN)通過大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點，以多跳的無線通信方式，將采集的感知信息匯聚于網(wǎng)關(guān)節(jié)點，傳輸給終端用戶。由此可見，網(wǎng)關(guān)節(jié)點附近區(qū)域的傳感器節(jié)點將承擔(dān)大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，其能量消耗水平將高于其他區(qū)域，從而而被稱為“熱區(qū)”，熱區(qū)內(nèi)的傳感器節(jié)點過早消耗完自己的能量最終死亡導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效稱為能量空洞現(xiàn)象。

當(dāng)前避免能量空洞的方法主要通過最大限度地均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，許多學(xué)者從不同方面采取應(yīng)對策略，例如：節(jié)點初始能量不均勻配置、節(jié)點功率控制以及節(jié)點非均勻部署等等，以上策略可以使“熱區(qū)”能量充足，但對傳感器節(jié)點要求較高，需特定部署，不易操作。也有人采用動態(tài)網(wǎng)關(guān)節(jié)點或者部署多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，這樣傳感器節(jié)點可以選擇最佳網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)來減少能量消耗，但是改變網(wǎng)關(guān)節(jié)點的位置或增加其數(shù)量都需耗費大量成本。

因此，提出一種靈活高效易實現(xiàn)的分簇路由策略來均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很有必要。現(xiàn)有技術(shù)中，文獻(xiàn)：李成法，陳貴海，葉懋，等.一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].計算機(jī)學(xué)報，2007，30(1)：27-36提出了一種經(jīng)典的非均勻分簇路由協(xié)議EEUC，該協(xié)議中候選簇首通過非均勻的競爭范圍構(gòu)造大小不等的簇來緩解“熱區(qū)”問題。參考文獻(xiàn)：CHEN?Gui-hai，LI?Cheng-fa，YE?Mao，et?al.An?unequal?cluster-based?routing?protocol?in?wireless?sensor?networks[J].Wireless?Networks，2009，15(2)：193-207.在上述協(xié)議的基礎(chǔ)上對簇間路由進(jìn)行改進(jìn)并提出一種UCR算法，從而節(jié)約中繼節(jié)點的能量。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點是：在EEUC協(xié)議和UCR算法中，節(jié)點部署及候選簇首選擇的隨機(jī)性可能導(dǎo)致處于網(wǎng)絡(luò)邊緣或者能量較低的節(jié)點當(dāng)選為簇首；并且僅采用局部比較節(jié)點剩余能量來選擇最終簇首無法從整體上協(xié)調(diào)全網(wǎng)的能量消耗來避免能量空洞，同時也無法保證網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋；所采取的就近入簇和固定路由方式也不利于均衡簇間能量消耗。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述缺陷，本發(fā)明提出一種WSN分布式非均勻分簇方法，該方法在平衡全網(wǎng)能量的基礎(chǔ)上選擇出候選簇首，并通過自適應(yīng)校正競爭半徑進(jìn)行非均勻分簇，最后節(jié)點根據(jù)基于能量和距離的能耗函數(shù)選擇最佳簇加入，避免能量空洞，最終實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種WSN分布式非均勻分簇方法，包括：

步驟1：設(shè)置網(wǎng)絡(luò)場景；

在預(yù)設(shè)的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布N個傳感器節(jié)點，在該監(jiān)測區(qū)域外布置一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，每個傳感器節(jié)點具有唯一的身份標(biāo)識號；

步驟2：網(wǎng)絡(luò)初始化；

各節(jié)點通過廣播“初始化消息”建立“鄰居節(jié)點列表”，所述“鄰居節(jié)點列表”中包括鄰居節(jié)點身份標(biāo)識號、鄰居節(jié)點離網(wǎng)關(guān)節(jié)點的距離；

其關(guān)鍵在于：

步驟3：計算候選概率；

每個傳感器節(jié)點按照公式(1)計算自己成為候選簇首的概率，

s_i.P＝P₀×Di×Ei????(1)

其中s_i.P表示傳感器節(jié)點Si的候選概率，P₀是傳感器節(jié)點成為候選簇首的初始概率，Di為傳感器節(jié)點Si的位置因子，Ei為傳感器節(jié)點Si的平均能量因子，且其中，D_max和D_min分別表示網(wǎng)關(guān)節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)的最大距離和最小距離，s_i.dist為傳感器節(jié)點Si到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的距離，s_i.E_res為傳感器節(jié)點Si的剩余能量，E_ave為全網(wǎng)平均剩余能量；

步驟4：產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)判斷是否成為候選簇首；

每個傳感器節(jié)點自動生成一個隨機(jī)數(shù)μ，μ∈(0，1)，如果傳感器節(jié)點Si產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)μ＜s_i.P，則成為候選簇首，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)；

步驟5：競選最終簇首；

候選簇首按照公式(2)計算自己的等待時間，按照公式(3)計算自己的競爭半徑；