[發明專利]一種基于梯度的能量有效非均勻分簇數據轉發方法

在審

• 申請號: 201410345538.6
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN104080144A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 吉福生;何靜;吳大鵬;劉喬壽;王汝言;熊余;楊博然
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/32;H04W52/02
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡數據轉發技術，特別涉及基于梯度的能量有效非均勻分簇數據轉發方法。

背景技術

區別于傳統無線網絡的數據轉發策略，無線傳感器網絡數據轉發策略的設計主要考慮節點的能量有效性，數據的冗余性以及數據傳輸的能量消耗等方面，需要根據不同的應用需求設計相應的數據轉發策略。無線傳感器網絡中傳感節點通常采用電池供電且不可充電，隨著網絡的運行，部分傳感節點會耗盡電池能量，使得網絡處于非連通狀態，導致網絡數據傳輸中斷，因此，數據轉發策略是無線傳感器網絡的關鍵技術之一，合理高效的數據轉發策略設計能夠提高網絡整體性能。

近年來，研究人員發現在無線傳感器網絡數據轉發策略中引入分簇機制可以明顯降低每個傳感節點的能量消耗，且在很大程度上降低低能量節點對于數據轉發的影響，提高網絡存活時間。考慮到傳感節點的能量有效性，無線傳感器網絡廣泛采用非均勻分簇機制解決簇間多跳通信產生的能量不均衡消耗問題，其核心思想是利用非均勻的競爭范圍來構造大小不等的簇，使得靠近匯聚節點的簇的簇成員節點數目較少，從而能夠節省更多能量以供簇間數據轉發使用。但是現有采用非均勻分簇機制的數據轉發策略主要目的是延長網絡存活時間，沒有考慮如何均衡不同簇頭間的能量消耗問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：大部分基于非均勻分簇的無線傳感器網絡數據轉發方法未考慮簇頭選擇優化和簇間多跳通信的能量有效性問題，選取簇頭時沒有考慮節點間距離，簇頭在簇內位置不確定，當簇的范圍較大時，簇內節點與簇頭間的距離相差較大，距離簇頭較遠的節點與簇頭通信能耗較大，造成簇內節點能耗不均衡；簇間數據轉發時沒有考慮節點間的距離以及非簇頭節點的數目，由于節點間通信的能耗與信號傳輸的距離成比例，當節點間距離較大時，增加了節點間的通信能耗。針對這些問題，本發明提出一種基于梯度模型的能量有效非均勻分簇數據轉發方法，能夠在保障可靠數據傳輸的同時，均衡網絡中節點的能量消耗，降低網絡能量開銷，達到提升網絡資源利用率及延長網絡存活時間的目的。

本發明解決上述問題的技術方案是：在梯度模型上運行簇機制，通過非均勻成簇和節點能量、非簇頭節點數目、節點相對位置的低梯度關鍵節點的動態選擇，提高簇間通信的能量有效性為目標完成數據轉發。具體方法如下：

一種基于梯度的能量有效非均勻分簇數據轉發方法，網絡中的節點根據各自的梯度值計算簇半徑，根據節點剩余能量以及簇頭與非簇頭節點的相對位置選取簇頭；基于節點剩余能量、非簇頭節點數目、節點間相對位置的低梯度關鍵節點動態選取下一跳中繼節點；非簇頭節點周期性傳播數據給簇頭節點，簇頭節點將其聚合成一個單一的固定長度的數據包，根據成本代價函數在下一跳節點集合中選擇成本代價函數最小的中繼節點進行數據轉發。