[發明專利]一種無線傳感器網絡簇頭節點選擇方法及分簇方法

有效

• 申請號: 201410371867.8
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104135752B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 劉林峰;李晟;吳家皋;周劍
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W84/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 楊楠

技術領域

本發明涉及一種無線傳感器網絡簇頭節點選擇方法及分簇方法，屬于無線傳感器網絡技術領域。

背景技術

在無線傳感器網絡中，衡量一個傳感器網絡的生命周期通常是根據節點的剩余能量來決定的。一個傳感器網絡從組網開始工作直到其中出現節點的能量歸零，這段時間就是該傳感器網絡的生命周期。所以為了延長整個傳感器網絡的生命周期，合理控制節點的能量消耗是極為重要的。

節點根據網絡拓撲為當前傳輸轄域內的鄰居節點提供報文接收和轉發服務, 隨著數據流量的傳輸,節點的無線收發能耗和通信模塊的閑時開銷使得節點自身的電池能量不斷降低。通常情況下,節點在未獲知需要轉發的數據和承擔轉發任務時都不關閉通信模塊,而節點的通信模塊在空閑狀態仍會偵聽無線信道的占用情況并且探測興趣數據的傳遞需求,當節點處于這種狀態時，節點的能耗與數據收發狀態接近。這就使得整個無線傳感器網絡中的空閑結點會進行很多的無謂能耗，從而使得整個無線傳感器玩過的生命周期明顯縮短。

為了改善這個問題，使節點的能量更加合理的運用，分簇機制應運而出。全局網絡拓撲將被劃分為若干個相連的簇區域,在每塊簇內依據既定的算法選舉簇頭節點 ,由簇頭節點構成貫穿整個拓撲的骨干網,并且休眠除了簇頭節點以外的所有空閑節點,從而大幅度降低了空閑狀態時偵聽行為對節點能量的消耗,進而最終達到延長了整個無線傳感器網絡生命周期的目的。

依據既定算法選出的簇頭節點除需擔負簇內節點的協調和數據轉發任務外,一般還需具有數據融合功能。分簇機制滲透了聚類管理的理念,彌補了普通的拓撲結構中空閑狀態的節點無謂能耗過高的缺陷,分簇的網絡拓撲有利于分布式算法的應用,適合大規模部署的網絡。

GAF算法是一種比較傳統的簇頭選擇算法，它是基于節點地理位置的分簇算法。將目標區域劃分成若干個相鄰且不重疊的區域，區域內簇頭結點一直保持清醒，非簇頭節點在不轉發信息時處于休眠狀態。該算法中每個區域內簇頭的選擇是有節點產生的定時隨機值決定的，這個算法的不足在于它沒有將節點的剩余能量考慮進去，從而導致某些能量過低的節點被選為簇頭，然后直接縮短了整個網絡的生命周期。

LEACH算法也是一種很經典的簇頭選擇算法，它在選擇簇頭時首先也是根據隨機數來確定簇頭，然后根據其他節點選擇離自己最近的簇頭進行連接形成一個簇。LEACH算法中每個節點成為簇頭的概率是近乎相等的，所以LEACH算法在節點能量上很好的達到了能量均衡，但是該算法的不足在于它沒有考慮簇頭結點所處的地理位置，而且簇頭分布是不均勻的，從而有可能出現兩個簇頭之間的距離超過了節點的最大通信范圍，這就有可能導致整個骨干網無法形成。

綜上可知，現有簇頭選擇算法普遍存在考慮因素單一、未能最大程度地延長無線傳感器網絡生命周期的不足。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種無線傳感器網絡簇頭節點選擇方法及分簇方法，綜合考慮了節點的位置分布和剩余能量對整個網絡生命周期的影響，并結合模糊算法實現簇頭節點的確定，能夠有效延長無線傳感器網絡的生命周期，且算法簡單，資源消耗小。

本發明采用以下技術方案解決上述技術問題：

一種無線傳感器網絡簇頭節點選擇方法，對于所述無線傳感器網絡中的每個簇，以該簇中距離優先權與能量優先權之和最大的節點作為該簇的簇頭節點；所述節點的距離優先權D、能量優先權P分別按照以下公式計算：

，

，

其中，d表示該節點到所在簇中其它各節點的平均距離，、分別表示所在簇中各節點到所在簇中其它各節點的平均距離的最大值和最小值，p表示該節點的當前剩余能量，表示該節點的初始能量。

一種無線傳感器網絡分簇方法，包括以下步驟：

步驟A、將無線傳感器網絡所覆蓋的目標區域劃分為若干子區域；

步驟B、利用如上所述簇頭選擇方法選擇出各子區域的簇頭節點，所選出的各簇頭節點分別與其所在子區域的其它節點建立連接；各簇頭節點分別判斷與其連接的節點數是否超出預設的最大連接數，如是，則從與其連接的這些節點中剔除距離優先權與能量優先權之和最大的前若干個節點，使得與其連接的節點數等于所述最大連接數，如否，則保持連接狀態不變，從而形成與所述子區域數目相同的若干個簇；而每一個簇頭節點所剔除的這些節點則以其中距離優先權與能量優先權之和最大的節點作為簇頭節點，組成一個新的簇；