[發(fā)明專利]一種基于能量均衡的簇內蜂窩分割的無線傳感路由算法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201310393294.4
• 申請日: 2013-09-03
• 公開（公告）號: CN103561406A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設計）人: 肖廣兵;孫寧;陳勇;馬健霄;黃銀娣;陳寧;韓寶瑞;羊玢;萬茂松;呂立亞;王妍;朱家聰
• 申請（專利權）人: 南京林業(yè)大學
• 主分類號: H04W16/02
• 分類號: H04W16/02;H04W40/10;H04W40/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發(fā)明涉及一種基于能量均衡的簇內蜂窩分割的無線傳感路由算法。

背景技術：

無線傳感網(wǎng)絡是由大量低功耗、低處理能力、近距離傳輸?shù)闹悄軅鞲泄?jié)點通過自組織通信組成的分布式網(wǎng)絡，其基本功能是對特定的傳感區(qū)域進行全方位的監(jiān)控，獲取相應的數(shù)據(jù)信息。大量的傳感節(jié)點被隨機分布在感興趣的傳感區(qū)域中，對節(jié)點周圍的物理信息進行采集、處理和無線傳輸，由基站對采集到的數(shù)據(jù)進行匯聚、分析和存儲。

目前，無線傳感網(wǎng)絡被大量應用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居、車聯(lián)網(wǎng)和軍工國防等相關領域。在這些應用場合中，均無法實現(xiàn)對傳感節(jié)點中的電池進行有效充電或更換。因此，較高的能量利用效率成為無線傳感網(wǎng)絡設計的首要任務指標。此外，大量的無線傳感節(jié)點被隨機分布在條件惡劣、無人值守的野外工作環(huán)境中，為最大限度延長無線傳感網(wǎng)絡的壽命，極低的網(wǎng)絡功耗和均衡的能量負載顯得尤為重要。如何有效降低無線傳感網(wǎng)絡的能量消耗，在網(wǎng)絡復雜度和能量消耗之間取得平衡，延長網(wǎng)絡壽命，是當前無線傳感網(wǎng)絡研究的關鍵問題。

發(fā)明內容：

本發(fā)明的目的是針對當前無線傳感網(wǎng)絡能量受限、負載不均衡的問題，在分析研究HEED算法的基礎上，提出了一種基于能量均衡的簇內蜂窩分割的無線傳感路由算法(CC-HEED，Cell?Cluster?HEED)。

在該算法中，整個無線傳感網(wǎng)絡的運行周期被分為兩個階段：分簇階段和傳感階段。為了獲得較高的數(shù)據(jù)通信效率和較低的網(wǎng)絡延時，分簇時間小于傳感時間。

在分簇階段,與HEED算法類似，各個傳感節(jié)點首先根據(jù)自身的剩余能量R_res產生一個0～1的隨機數(shù)來計算各自成為簇頭的概率。一般而言，具有較多剩余能量的節(jié)點生成的隨機數(shù)也越大，同時也具有更高的概率被選舉為簇頭。在CC-HEED算法中，選取隨機數(shù)大于某一固定閥值的傳感節(jié)點成為“臨時簇頭”。為了解決可能出現(xiàn)的簇頭分布過于集中的問題，簇內平均可達能量AMRP作為次要參數(shù)被引入簇頭選舉的評估過程中。被選為臨時簇頭的傳感節(jié)點分別計算各自的AMRP，具體的計算方法為：其中minP_i為傳感節(jié)點i與臨時簇頭通信所需要的最小能量，M為當前簇內所有傳感節(jié)點的數(shù)量。如果兩個臨時簇頭之間存在相同的覆蓋范圍，則選擇具有最小AMRP的臨時簇頭為最終簇頭;如果不存在相同的覆蓋范圍，則臨時簇頭自動成為最終簇頭。分簇完成后，各個簇頭向所有傳感節(jié)點廣播消息，通知各個節(jié)點自身為該簇的簇頭。各個傳感節(jié)點根據(jù)接收信號的強度判斷自己與簇頭的位置關系。此外，各個簇頭負責當前簇域內所有數(shù)據(jù)信息的匯聚整理，并以中繼的方式向基站傳送數(shù)據(jù)信息。

在傳感階段，基站向分簇后的層次型傳感網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)傳送指令，并等待返回數(shù)據(jù)信息。在分簇后的各個簇內區(qū)域中，以傳感節(jié)點的有效通信距離R為半徑，對其進行蜂窩狀再分割。將簇內的各個普通傳感節(jié)點劃分到各個蜂窩狀區(qū)域中，同時選取蜂窩區(qū)域的中心節(jié)點作為蜂窩節(jié)點，用于搜集當前蜂窩區(qū)域內所有傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并轉發(fā)至簇頭。其具體的分割方法為：以簇頭為中心，R為半徑，劃分出第一個蜂窩狀區(qū)域；再從該蜂窩區(qū)域的周圍分別拓展分割出其他6個蜂窩狀區(qū)域，依次類推。簇頭在收集到當前簇內各個蜂窩節(jié)點的數(shù)據(jù)信息后，通過中繼的方式將匯聚后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至基站，完成數(shù)據(jù)傳送的任務。

顯然，無線傳感網(wǎng)絡中的整個數(shù)據(jù)通信過程由簇內通信和簇間通信兩部分組成。

在簇內通信過程中，位于蜂窩狀區(qū)域中心的蜂窩節(jié)點在有效通信半徑R范圍內收集來自區(qū)域內各個普通傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并轉發(fā)給簇頭。可以證明，相比簇內各個傳感節(jié)點獨立將數(shù)據(jù)信息直接發(fā)送給簇頭的通信方式，這種由分割后的蜂窩節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)信息給簇頭的通信方式能顯著提高無線傳感網(wǎng)絡的能量利用效率，節(jié)省網(wǎng)絡能量消耗。