[發明專利]一種無線傳感網絡自適應聚類傳輸發法及其裝置

有效

• 申請號: 201210557106.2
• 申請日: 2012-12-19
• 公開（公告）號: CN102983948A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 張永德;周賢偉;朱躍龍
• 申請（專利權）人: 山東黃金集團有限公司
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04W24/02;H04W84/18
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 張維斗

技術領域：

本發明涉及的是一種用于無線傳感網絡的自適應聚類傳輸發法及其裝置。

背景技術：

在現有技術中，公知的技術是在無線傳感器網絡監測監控領域之中，經常需要使網絡工作在自然環境極其惡劣，甚至人類無法到達的區域，這導致無線傳感器網絡中的節點很多都無法補充能量；同時受限于當前電池生產工藝的瓶頸，以及制造成本等方面的考慮，無線傳感器節點的能量通常又非常有限；以上兩個原因使得在無線傳感器領域中存在的首要問題即能耗問題。研究表明，無線傳感器在工作中的能量絕大部分消耗在無線通信模塊，也即消耗在信息的轉發過程中，所以如何減少這部分的能耗就是無線傳感器研究領域的一個重點。

無線傳感器網絡用以節約能耗的主要手段即均衡利用能量和建立節能路由，無論是單跳通信還是多跳通信，當通信距離發生較大變化時都會導致節點在能量使用上的不均衡，這種情況一旦得不到有效遏制則很容易造成通信負荷較大的節點能量耗盡而成為死亡節點，當死亡節點大幅增加時就會形成網絡空洞，進而導致網絡整體效能的直線下降乃至網絡癱瘓。均衡利用能量的基本思想就是避免出現網絡空洞，通過相對復雜的計算和控制機制來平衡全網的能量消耗，但這樣同時也會引入額外的控制開銷。同樣建立節能路由也是針對全網而非單個節點的能量消耗，對于理想的通信環境而言最佳路由即通信能耗最小的路由。在路由選擇的同時，使用單徑通道可以節省計算和存儲方面的開銷，而使用多徑通道卻又能對數據傳輸的可靠性提供更高的保證，這使得節能路由選擇方面的考慮更加復雜。

無線傳感器網絡用以節約能耗的另一個重要手段就是數據融合，也即節點將接收到的數據進行相干解析或壓縮編碼，從而降低信息的冗余度。在無線傳感器網絡中節點會收集到大量的信息，但是又受到能量與時間的限制不能將所有信息全部發送至基站，所以通過信息融合技術可以將處理后的有效信息以最小能量代價傳遞給基站，這樣既可以節約能量又降低了路徑擁塞幾率，從總體上提高了無線傳感器網絡收集數據的效率。無線傳感網絡中的數據融合技術包括數據交換、數據聚集、編解碼技術等，在分簇網絡結構中數據融合的任務通常由各簇頭節點完成，這也導致簇頭節點在其工作周期之內相對普通節點要進行更多的運算和操作，從而更進一步加大了簇頭節點的能耗，也更容易產生網絡空洞。

無線傳感器路由協議與應用領域高度相關，因為單一的路由協議無法滿足各類需求，故而無線傳感器網絡的路由協議也尤其豐富，可以依據其通信模式、網絡結構、路由建立、狀態維護、節點標識及投遞方式等進行廣泛的分類。其中依據網絡結構將其劃分為平面路由協議、層次路由協議和基于地理信息的路由協議。總體而言在非基于地理信息的路由協議中傳感器節點要承擔更多的感知和計算任務，這些都會對節點的能耗產生較大的影響；此外研究表明層次型路由協議在節能性能之上要普遍優于平面型路由協議，但由于在對全網信息的準確把握方面還存在缺陷，其性能有時也會非常不穩定。，這是現有技術所存在的不足之處。

發明內容：

本發明的目的就是針對現有技術所存在的不足，而提供一種用于無線傳感網絡的自適應聚類傳輸發法及其裝置的技術方案，該方案可以大幅延長全網的壽命，在每一輪的傳輸過程中基站統計全網的地理和能量信息，并在新一輪開始前將這些信息廣播至全網；無線傳感器節點使用廣泛的地理和能量信息作出更加明智的存儲、路由和傳輸選擇。

本方案是通過如下技術措施來實現的：一種無線傳感器網絡自適應聚類傳輸方法，其特征在于包括如下步驟：

1）對節點進行初始化；

2）選取簇頭節點，簇頭節點廣播自身的簇頭地位，所有為當選簇頭節點的普通節點依據距離相近的原則請求加入簇頭節點，簇頭節點接收到請求加入的消息后，生成一個TDMA定時信息表和CDMA擴頻編碼，將它們與允許節點加入的消息一同發送到請求節點，直至全網節點都確認加入某個簇節點；

3）數據傳輸時，構建全部的簇頭節點之間的最小生成樹。

所述的步驟2）根據節點的能量水平篩選簇頭節點,凡是能量水平未能達到閾值E_c的候選節點都將即時解除候選節點的身份，這樣經過兩步選取之后即可得到新的簇頭節點集合c(m)，其中閾值E_c可表示為如下式：