[發明專利]應用于無線傳感器網絡的分簇控制方法

無效

• 申請號: 201310006324.1
• 申請日: 2013-01-08
• 公開（公告）號: CN103024857A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 劉三陽;劉逵;焦紅偉;馮海林
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/24
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明涉及通信技術領域，具體是一種具有可靠性的無線傳感器網絡分簇控制方法，可用于去尋找穩定、可靠、網絡能量分布均衡且與實際網絡相匹配的簇。

背景技術

無線傳感器網絡是集傳感器技術、嵌入式技術以及低功耗無線通信技術而形成的一種以自組織網絡方式構建的無線網絡。其主體是低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器。這些微型傳感器通過對監測對象的信息采集，并利用自身的嵌入式系統對信息進行簡單處理，然后再利用隨機自組織網絡以多跳中繼方式將信息傳送給目標節點，從而完成對監測區域的掌控。該技術可用于軍事偵察、環境監測、醫療監護、空間探索、城市交通管理、倉儲管理等軍事和民用領域。傳感器節點往往工作在惡劣的環境中，并且通常采用能量有限的電池提供能量，替換節點的電池或對電池進行充電都是十分困難的，所以無線傳感器網絡很容易出現因為能源耗盡而導致節點失效的情況。如何有效利用節點的有限能量，從而最大化的延長網絡的生存時間已成為傳感器網絡研究的熱點。

分簇機制是無線傳感器網絡協議中的一個重要問題。一個好的分簇算法能夠形成一個優良的網絡拓撲結構，從而有效地提高路由協議的執行效率和網絡數據的傳輸成功率，減少節點的數據處理量，延長節點及網絡的壽命。分簇機制其實就是將網絡中的傳感器節點人為地分成兩類，一類是簇頭節點，一類是簇內節點。其中簇內節點負責感知數據，并將感知到的數據傳輸給簇頭節點。簇頭節點則主要是協調簇內各節點工作，負責數據的融合和轉發。網絡分簇后有很多優點，例如，由簇頭節點擔負數據融合的任務，可減少網絡數據的傳輸量；分簇式的網絡拓撲結構有利于分布式算法的應用，適合大規模部署的網絡；由于簇內節點在相當長的時間內關閉無線通信模塊，所以可顯著地延長網絡壽命。國外對于無線傳感器網絡分簇方法的研究起步比較早，Heinzelman?W?B等人率先提出了適合在無線傳感器網絡上應用的典型層次式路由協議(LEACH協議)，該協議采用了一種凝聚策略，利用各節點對之間的相似性，從相似性最高的節點對開始，往一個空網絡中添加邊，添邊過程的終止時刻就得到了一個由若干簇組成的網絡。但是這種方法沒有考慮節點的剩余能量，從而可能導致某些節點過早的死亡，并影響網絡的壽命。

近年來，國內專家學者也紛紛對無線傳感器網絡分簇方法進行了研究。同濟大學的杭海存等人將LEACH協議與蟻群算法相結合運用到了無線傳感器網絡中，這種方法平衡了網絡的能量消耗，延長了網絡的生存時間，但其在簇頭選取的過程中也沒有考慮簇頭節點的剩余能量，從而可能使一些剩余能量較小的節點當選為簇頭，并加速這些節點的死亡速度。

由中國國家知識產權局2011年6月3日公開，公開號為CN102231899A的專利申請“一種無線傳感網高斯分簇路由控制方法”，公開了一種傳感網絡的尋簇方法。該方法借助網絡的大小、網絡成簇的數量、節點的剩余能量及簇頭間的最優距離等參素尋找到了一個簇頭分布較為均勻的網絡簇結構，從而使得網絡整體能量分布較為均勻，并降低了網絡節點的死亡速率。但該發明申請存在如下缺陷：

1)該方法是先選擇簇頭，然后再由簇頭來構建簇，每輪都要變化簇的結構，從而使獲得的網絡拓撲結構很不穩定，同時還增加了網絡的選簇開銷；

2)該方法沒有考慮無線傳感器網絡本身結構的現狀，從而引發尋找到的網絡簇結構隨機性強、與實際網絡結構不匹配等問題。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種應用于無線傳感器網絡的分簇控制方法，以解決已有技術找到的簇不穩定、隨機性強且與實際網絡結構不匹配問題，從而提高簇的穩定性、可調性、普適性及其與實際網絡的匹配性。

實現本發明的技術思路是：通過無線傳感器網絡的Laplace矩陣求出網絡的非平凡特征向量，根據傳感器網絡實際應用的特點，結合各節點的剩余能量及其周圍能量分布的異配度在每個簇內選取簇頭，利用非平凡特征向量的均值向量形成與實際網絡相匹配的原始簇結構；并借助網絡模塊度的增量來評估合并這些原始的簇，從而建立了一個與實際網絡更加匹配可靠的、適合于實際應用需求的網絡簇結構。其實現步驟包括如下：

(1)在S×S的平面范圍內，隨機拋撒n個傳感器節點，構建隨機無線傳感器網絡，各節點將各自的ID號、位置、剩余能量信息封裝為數據報文向周圍的鄰居節點進行廣播，廣播過程結束時，各節點均形成并維護一張鄰居列表，鄰居列表中存貯節點本身及其鄰居節點的剩余能量、ID號和位置信息；