[發明專利]一種動態k值分簇路由方法

有效

• 申請號: 201410794524.2
• 申請日: 2014-12-18
• 公開（公告）號: CN104469879B
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 吳黎兵;聶雷;杜錦;彭紅梅;鄒逸飛
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W84/18
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發明提出了一種動態k值分簇路由方法，本發明在每個周期的第1輪劃分網絡的分簇結構，然后結合當前網絡分簇情況和能量分布計算出一個網絡有效k值NK，并在接下來的NK輪內保持分簇結構不變，只在簇內進行簇頭的更新。網絡有效k值在每個周期開始時都會重新計算，因此網絡周期的輪數是動態變化的；通過動態設置網絡分簇周期，可以有效降低不良分簇結構對網絡性能的影響，提高網絡節點的能量利用率，有效均衡簇內節點的負載。

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡分簇路由協議領域，特別是一種動態k值分簇路由方法。

背景技術

在無線傳感器網絡中，分布在網絡中的傳感器節點負責采集環境中的各類數據，并將數據周期性地發送給基站。由于傳感器節點能量有限，每次采集和發送數據的操作都會消耗一定的能量。隨著網絡的運行，越來越多的節點由于能量耗盡而死亡，導致網絡的性能不斷下降甚至癱瘓。傳統的無線傳感器網絡中，節點都是通過直接與基站進行通信來傳送采集的數據，而且能耗大小與節點到的基站距離成正比，這一過程需要消耗大量能量。為了使得節點能量更多地用于數據采集，需要在無線傳感器網絡中引入路由協議，這也成為了無線傳感器領域的一個研究熱點。

目前已有很多基于無線傳感器網絡的節能路由協議被提了出來，從網絡拓撲結構的角度可以大體將它們分為平面路由協議和分簇路由協議。平面路由協議中，各個網絡節點的地位是平等的，它們通過相互之間的局部操作和信息反饋來生成路由。在這類協議中，目的節點向監測區域的節點發出查詢命令，監測區域內的節點收到查詢命令后，向目的節點發送監測數據。平面路由協議由于各個節點地位平等，所以網絡結構簡單、易擴展，不易產生瓶頸效應，但是由于缺少管理節點，因而缺乏對通信數據的優化，自組織協同工作算法也很復雜，對網絡動態變化反應速度較慢，典型的平面路由協議有SPIN、SAR等。

相比較平面路由協議，分簇路由協議中的網絡被劃分成多個簇，每個簇由普通節點和簇頭節點組成。普通節點完成數據的收集并將數據發往簇頭，簇頭節點負責簇內成員節點和數據信息的管理以及數據的簇間轉發，另外簇頭還可以協調簇內成員節點之間的工作。分簇路由協議的優點是簇頭融合了節點發送來的數據然后再轉發，可以大大減少網絡中的通信量，成員節點功能比較簡單，無須維護路由信息。同時與平面路由相比，更容易克服傳感器節點移動帶來的問題。

分簇路由協議按照數據傳輸方式的不同可以分為單跳分簇路由協議和多跳分簇路由協議。單跳分簇路由協議的典型特點是：網絡中的簇頭在收集到各個成員節點發送來的數據后，會將數據融合后直接發送給基站。而在使用多跳分簇路由協議的網絡中，簇頭節點會將成員節點發送來的數據進行融合后發送給上一層簇頭節點，數據會經由設計好的路徑傳輸給基站。多跳分簇路由協議的典型特點是，簇頭節點不僅負責本簇內的數據傳輸，同時還負責下層節點簇的數據傳輸。

在采用了單跳分簇路由協議的網絡中，網絡中的節點分工明確：普通節點負責收集數據并將數據發送給所在簇的簇頭節點，簇頭節點負責接收簇內成員節點采集的數據，并將數據融合后直接發送給基站，同時在局部選簇時，負責選擇新簇頭，然后在簇內廣播包含時隙信息和新簇頭信息的消息報文。

LEACH-C協議是典型的單跳分簇路由協議。在使用LEACH-C協議的網絡中，基站每次收集到一輪所有節點采集到的數據后，會進行重新分簇。重新分簇時，網絡中的每個節點都必須要將自身的信息發送給基站，該協議直接的缺點就是頻繁的分簇操作導致節點消耗不必要的能量。為此有研究人員提出LEACH-EB協議，在LEACH-EB協議中，網絡周期擴展為1+k輪。在每個周期內，第一輪進行簇頭選擇并劃分網絡分簇結構，然后在接下來的k輪保持分簇結構不變，只在各個簇內進行簇頭更新。通過這種方式可以有效減少網絡分簇操作的次數，從而延長了網絡的生命周期。但是LEACH-EB協議中的k值是固定不變的，由于在信息收集過程中節點能量分布是實時變動的，同時每個周期的分簇結構都是變化的，采用固定k值難以滿足網絡動態變化的需求。

發明內容

本發明針對現有LEACH-EB協議的不足，提出了一種動態k值分簇路由方法。