專利名稱：無線傳感器分簇多跳通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇多跳通信方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Adhoc方式組成的有線或者無線網(wǎng)絡(luò)， 其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的 信息，并傳遞給觀察者，具有大規(guī)模性、自組織性、動(dòng)態(tài)性、可靠性、應(yīng)用 相關(guān)性、以數(shù)據(jù)為中心性等主要特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于教育、軍事、醫(yī)療、交通 等諸多領(lǐng)域，擁有巨大的應(yīng)用潛力和商業(yè)價(jià)值，因此，引起了國內(nèi)外廣泛的關(guān) 注和研究。與傳統(tǒng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高，傳感器節(jié)點(diǎn) 數(shù)量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié) 點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限，處理能力、存儲能力和無線通信能力相對有限， 故網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯(cuò)能力?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，如何高效地利用這 些有限的能量和資源，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研 究的熱點(diǎn)之一。相關(guān)研究表明，隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模 塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上，因此無線通信的次 數(shù)和通信的距離直接影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和生存周期。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常使用多跳技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測釆集的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié) 點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被路由中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理、存儲和 轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳達(dá)給用戶。在這種多跳方式下，靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)由于負(fù)載過重更容易耗盡能量而提前失效。而 如果網(wǎng)絡(luò)是在單跳方式下，遠(yuǎn)離基站的節(jié)點(diǎn)容易因能耗較大而提早死亡。這些 過早失效的節(jié)點(diǎn)可能會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分割成若干個(gè)互補(bǔ)相連的孤島，縮短了整 個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期。因此在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出分簇確定方法來提高 網(wǎng)絡(luò)的能量有效性。分簇的基本思想是把網(wǎng)絡(luò)劃分成互不重疊的若干部分即簇， 使得數(shù)據(jù)通信形成簇內(nèi)通信和簇間通信的不同層次。每個(gè)簇選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng) 簇頭，負(fù)責(zé)簇的管理并形成全網(wǎng)的骨架。由此使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相對均衡地消 耗能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
低能耗自適應(yīng)遞階分簇算法(Low—Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH)是最早提出的WSN分簇路由協(xié)議，也是目前代表性的分簇確定方法。 LEACH的基本思想是通過隨機(jī)循環(huán)選擇簇頭，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)等概率地分擔(dān)簇頭任 務(wù)，相對均衡地分擔(dān)負(fù)荷。但是實(shí)際如此設(shè)計(jì)路由，依然會導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)能量 提前耗盡。這是因?yàn)楫a(chǎn)生簇頭的隨機(jī)性導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中簇頭分布的不均勻，或 者因?yàn)殡S機(jī)選擇簇頭時(shí)，僅僅考慮了概率因素，并未考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量， 這樣的負(fù)載均衡策略是不完備的。有可能存在某一節(jié)點(diǎn)的剩余能量已經(jīng)很小但 仍被選為簇頭，并且由于簇內(nèi)進(jìn)行單跳通信，遠(yuǎn)距離的單跳通信會導(dǎo)致能量最 快能以四次方的速率被快速消耗殆盡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過結(jié)合虛擬刪邊、對平均跳數(shù) 和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的限制以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡機(jī)制，提出一種基于小世界模型 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇多跳通信方法，該方法能夠有效減少和均衡整個(gè)無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，并可以提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這種基于小世界模型的無線 傳感器分簇多跳通信方法，包括如下主要步驟
(1) 初始階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都記錄其鄰居節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，判斷此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中 有哪些節(jié)點(diǎn)是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)；
(2) 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每條邊的集聚系數(shù)，然后從小到大虛擬地刪除集聚系數(shù)較 小的邊，直至網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干獨(dú)立的子網(wǎng)；
(3) 判斷上述各子網(wǎng)哪些需要被繼續(xù)劃分成更小的子網(wǎng)如果一個(gè)子網(wǎng)同 時(shí)滿足以下兩個(gè)條件
a. 該子網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù)為/, /《力，力為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)；
b. 該子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m， m《M，M為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)； 則將該子網(wǎng)標(biāo)記為一個(gè)簇，否則將該子網(wǎng)繼續(xù)劃分為若干更小的子網(wǎng)；
(4) 由于在起始階段假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都具有相同的能量和傳輸半徑，第一次 選取簇頭時(shí)，隨機(jī)地從每個(gè)簇里選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭，以負(fù)責(zé)收集該簇成員 傳送過來的數(shù)據(jù)，再通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)；在經(jīng)過一個(gè)工作周期后，選取 每個(gè)簇里剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)取代簇頭，以進(jìn)行簇頭輪換。
(5) 識別和標(biāo)記每個(gè)簇每個(gè)節(jié)點(diǎn)再次記錄此時(shí)其鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，判斷 此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中有哪些節(jié)點(diǎn)仍是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)；如果步驟(1)和本次都記錄為鄰 居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，而步驟(1)中記錄為鄰居節(jié)點(diǎn)但本次記錄不是鄰居 節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為簇外節(jié)點(diǎn)，從而完成簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇外節(jié)點(diǎn)的判斷；節(jié)點(diǎn)在當(dāng)選為 簇頭節(jié)點(diǎn)后將自己的信息廣播給簇內(nèi)成員。
上述步驟(1)中的集聚系數(shù)C/U~~——^，其中f表示包含該邊的三角形的數(shù)目，A,表示節(jié)點(diǎn)i的度，min["-1),(、-l)]表示所有可能包含該邊
的三角形的數(shù)目。邊的集聚系數(shù)即表示實(shí)際包含該邊的三角形的數(shù)目與所有可 能包含該邊的三角形的數(shù)目之比。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)灑下的大量密集的傳感 器節(jié)點(diǎn)具有社團(tuán)結(jié)構(gòu)，即部分節(jié)點(diǎn)之間的連接比較緊密，部分連接比較稀疏， 連接比較緊密的那部分節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的社團(tuán)或簇。社團(tuán)內(nèi)部的邊的 集聚系數(shù)是比較大的，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)連接比較緊密構(gòu)成了較多的三角形。反之， 連接兩個(gè)社團(tuán)間的邊的集聚系數(shù)比較小。
通過有選擇性地刪除一些集聚系數(shù)較小的邊，這些邊的刪除提高了整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)的平均集聚系數(shù)的同時(shí)也將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)簇。
小世界現(xiàn)象普遍存在于大量真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，平均路徑長度和集聚系數(shù)是衡量 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?刻畫小世界特性的主要指標(biāo)，也是影響多跳無線自組網(wǎng)性能的重要因 素。小的平均路徑長度使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸只需經(jīng)過較少的跳數(shù)， 有利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制，降低通訊開銷及減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。大的集聚 系數(shù)使得網(wǎng)絡(luò)中局部信息的傳播范圍比較廣，局部的效應(yīng)可以對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成 較大的影響，并且網(wǎng)絡(luò)中存在一定的冗余，可以提高網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性。因此，同 時(shí)具備這兩個(gè)小世界本質(zhì)特征的無線自組網(wǎng)能夠使其性能得到更進(jìn)一步的提 咼。
本發(fā)明提出的方法中，對簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，可以降 低簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信的負(fù)載。簇內(nèi)和簇間都采用多跳通信，避免了由于單跳通信導(dǎo) 致的遠(yuǎn)距離通信大大消耗節(jié)點(diǎn)能量消耗的情況，減輕了最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的能量消耗負(fù) 擔(dān)。通過相互之間的簡單交流使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)群體達(dá)到復(fù)雜的最優(yōu)，從而提高網(wǎng)絡(luò) 的可擴(kuò)展性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下的顯著優(yōu)點(diǎn)利用社團(tuán)結(jié)構(gòu)對傳感器 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，提高網(wǎng)絡(luò)邊的集聚系數(shù)，使其具有小世界網(wǎng)絡(luò)大的集聚系數(shù)的 良好性質(zhì)。大的集聚系數(shù)使得網(wǎng)絡(luò)中局部信息的傳播范圍比較廣，局部的效應(yīng) 可以對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成較大的影響，并且網(wǎng)絡(luò)中存在一定的冗余，可以提高網(wǎng)絡(luò) 的容錯(cuò)性。再對每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和平均跳數(shù)進(jìn)行限制，可以平衡每個(gè)簇的負(fù)載， 讓剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)輪換簇頭，相對均衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量。
本發(fā)明能夠全局平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，避免了出現(xiàn)由于部分節(jié)點(diǎn)過早 失效而使網(wǎng)絡(luò)被分割成若干個(gè)互補(bǔ)相連的孤島的情況，延長了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存 周期，同時(shí)也提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。本方法較為簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以用于以數(shù) 據(jù)為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合，具有較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1是具有社團(tuán)結(jié)構(gòu)性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)示意圖； 圖2是網(wǎng)絡(luò)原始拓?fù)涫疽鈭D3是在本發(fā)明SMCA算法作用下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D4是本發(fā)明實(shí)施例中基于小世界模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇多跳通信方 法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
首先，本發(fā)明的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滿足如下的假定-
(1) 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，處于網(wǎng)絡(luò)站中的任意位置。每個(gè)節(jié)點(diǎn) 都知道它的位置。節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)一旦布置好就是靜止的。
(2) 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是同類的，具有相同的性能和傳輸半徑。(3) 簇頭對從簇成員收集到的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，刪除一些重復(fù)多余 的信息。
(4) 假設(shè)每個(gè)簇里簇成員同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭的概率為p。 本發(fā)明的基于小世界模型的無線傳感器分簇算法，包括如下主要步驟
(1) 初始階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都記錄其鄰居節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，判斷此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中 有哪些節(jié)點(diǎn)是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)；
(2) 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每條邊的集聚系數(shù)，然后從小到大虛擬地刪除集聚系數(shù)較 小的邊，直至網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干獨(dú)立的子網(wǎng)；
(3 )判斷上述各子網(wǎng)哪些需要被繼續(xù)劃分成更小的子網(wǎng) 由于被劃分成的子網(wǎng)有的規(guī)模相對比較大，如果直接劃分成一個(gè)簇會加重 該簇簇頭的負(fù)載，使得該簇頭能量過早耗完。因此，必須將規(guī)模比較大的子網(wǎng) 繼續(xù)劃分為規(guī)模更小的若干個(gè)子網(wǎng)。如果一個(gè)子網(wǎng)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件-
a. 該子網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù)為/， /《力，力為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)；
b. 該子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m， m《M，M為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)；
則將該子網(wǎng)標(biāo)記為一個(gè)簇，否則將該子網(wǎng)繼續(xù)劃分為若干更小的子網(wǎng)，從 而形成如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D，圖中實(shí)線為連接簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的邊，虛線為 連接簇間節(jié)點(diǎn)的邊。
(4) 由于在起始階段假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都具有相同的能量和傳輸半徑，第一次 選取簇頭時(shí)，隨機(jī)地從每個(gè)簇里選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭，以負(fù)責(zé)收集該簇成員 傳送過來的數(shù)據(jù)，再通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)；由于簇頭節(jié)點(diǎn)耗能更大，因此 在經(jīng)過一個(gè)工作周期后必須進(jìn)行簇頭輪換，簇頭輪換時(shí)，選取每個(gè)簇里剩余能 量最多的節(jié)點(diǎn)取代簇頭。
(5) 識別和標(biāo)記每個(gè)簇
每個(gè)節(jié)點(diǎn)再次記錄此時(shí)其鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，判斷此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中有哪些節(jié)點(diǎn)仍是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)；如果步驟(1)和本次都記錄為鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)， 而步驟(1)中記錄為鄰居節(jié)點(diǎn)但本次記錄不是鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為簇外節(jié)點(diǎn)，從 而完成簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇外節(jié)點(diǎn)的判斷；節(jié)點(diǎn)在當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)后將自己的信息廣 播給簇內(nèi)成員。
上述步驟(1)中的集聚系數(shù)C,U~~——^，其中f表示包含該邊
"minO,Hl)] v
的三角形的數(shù)目，A表示節(jié)點(diǎn)i的度，min["-l),(t,l)]表示所有可能包含該邊 的三角形的數(shù)目。邊的集聚系數(shù)即表示實(shí)際包含該邊的三角形的數(shù)目與所有可 能包含該邊的三角形的數(shù)目之比。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)灑下的大量密集的傳感 器節(jié)點(diǎn)具有社團(tuán)結(jié)構(gòu)，即部分節(jié)點(diǎn)之間的連接比較緊密，部分連接比較稀疏， 連接比較緊密的那部分節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的社團(tuán)或簇。社團(tuán)內(nèi)部的邊的 集聚系數(shù)是比較大的，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)連接比較緊密構(gòu)成了較多的三角形。反之， 連接兩個(gè)社團(tuán)間的邊的集聚系數(shù)比較小。
本算法建立路由的具體方法與相應(yīng)的分析如下
1) 通過成簇階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以從自己的路由表中判斷哪一些鄰居節(jié)點(diǎn) 是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇外節(jié)點(diǎn)以及本簇內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)的位置信息。
2) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)多跳轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭，簇頭在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù) 據(jù)之前先對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，刪除重復(fù)多余的數(shù)據(jù)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)被分為&個(gè)簇，每 個(gè)簇中同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭的簇成員節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為m^，非同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭 的簇成員節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為^(l-p), m,為每個(gè)簇簇成員的個(gè)數(shù)，丄
3) 由于假設(shè)包括簇頭在內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都具有相同的傳輸半徑，所以簇頭需 通過多跳將數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)。當(dāng)簇頭接受到簇成員傳遞的數(shù)據(jù)時(shí)，先查找 路由表中離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的鄰居節(jié)點(diǎn)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給它；該轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)通過多跳將數(shù)據(jù)傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)。為了區(qū)別原始數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)可以 在處理數(shù)據(jù)時(shí)對數(shù)據(jù)做一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的標(biāo)記。非簇頭節(jié)點(diǎn)接受到一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)就 不一定將它轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭，而是轉(zhuǎn)發(fā)給離匯聚接節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)。
4) 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)到sink節(jié)點(diǎn)所需跳數(shù)的上界為/7加上簇頭到sink
的跳數(shù)，對于網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭的那部分節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚
節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)總和為5"http://=t(^/^ + )。對于網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭的那部
戶l
分節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)總和為Di/:i/r^l-p)(/z;")。其中 盡為簇頭"，到sink的跳數(shù)，i。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)總和為^
5) 通過控制尸值，再結(jié)合得到的其它相關(guān)的值可以得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到匯 聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)總和A，對比分簇之前的每個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)總和//=
|>,， A為節(jié)點(diǎn)",到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)總和，可以得出分簇后與分簇前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)
發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)所需的跳數(shù)的比值，從而可以得出分簇后節(jié)省能量百分比。 從上面對本發(fā)明具體實(shí)施過程的說明可知，本發(fā)明是一種高效的無線傳感
器網(wǎng)絡(luò)分簇算法，通過減少節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。該
方法能夠有效地減少和均衡整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長整個(gè)
網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，并且可以提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的
功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種無線傳感器分簇多跳通信方法，其特征在于該方法包括如下主要步驟(1)初始階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都記錄其鄰居節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，判斷此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中有哪些節(jié)點(diǎn)是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)；(2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每條邊的集聚系數(shù)，然后從小到大虛擬地刪除集聚系數(shù)較小的邊，直至網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干獨(dú)立的子網(wǎng)；(3)判斷上述各子網(wǎng)哪些需要被繼續(xù)劃分成更小的子網(wǎng)如果一個(gè)子網(wǎng)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件a.該子網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù)為l，l≤h，h為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)；b.該子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m，m≤M，M為預(yù)先設(shè)定的整數(shù)；則將該子網(wǎng)標(biāo)記為一個(gè)簇，否則將該子網(wǎng)繼續(xù)劃分為若干更小的子網(wǎng)；(4)由于在起始階段假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都具有相同的能量和傳輸半徑，第一次選取簇頭時(shí)，隨機(jī)地從每個(gè)簇里選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭，以負(fù)責(zé)收集該簇成員傳送過來的數(shù)據(jù)，再通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)；在經(jīng)過一個(gè)工作周期后，選取每個(gè)簇里剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)取代簇頭，以進(jìn)行簇頭輪換。(5)識別和標(biāo)記每個(gè)簇每個(gè)節(jié)點(diǎn)再次記錄此時(shí)其鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，判斷此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中有哪些節(jié)點(diǎn)仍是自己的鄰居節(jié)點(diǎn)；如果步驟(1)和本次都記錄為鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，而步驟(1)中記錄為鄰居節(jié)點(diǎn)但本次記錄不是鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為簇外節(jié)點(diǎn)，從而完成簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇外節(jié)點(diǎn)的判斷；節(jié)點(diǎn)在當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)后將自己的信息廣播給簇內(nèi)成員。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器分簇多跳通信方法，其特征在于所述步驟(1)中的集聚系數(shù)<formula>formula see original document page 2</formula>其中^^^含iM^3三角形的數(shù)目，A^m點(diǎn)i的度，min[(A ——1)]表示所有可能包含該邊的三角形的數(shù)目。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器分簇多跳通信方法，其特征在于該算法建立路由的主要方法如下所示1) 通過成簇階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以從自己的路由表中判斷哪一些鄰居節(jié)點(diǎn)是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇外節(jié)點(diǎn)以及本簇內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)的位置信息；2) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)多跳轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭，簇頭在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前先對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，刪除重復(fù)多余的數(shù)據(jù)；3) 當(dāng)簇頭接受到簇成員傳遞的數(shù)據(jù)時(shí)，先查找路由表中離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的鄰居節(jié)點(diǎn)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給它；該轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)通過多跳將數(shù)據(jù)傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感器分簇多跳通信方法，其特征在于為了區(qū)別原始數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)在處理數(shù)據(jù)時(shí)對數(shù)據(jù)做一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的標(biāo)記，非簇頭節(jié)點(diǎn)接受到一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)將其轉(zhuǎn)發(fā)給離匯聚接節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分簇多跳通訊方法，特別是一種基于小世界模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇多跳通訊方法。該算法利用小世界模型對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，提高網(wǎng)絡(luò)邊的集聚系數(shù)，使其具有小世界網(wǎng)絡(luò)大的集聚系數(shù)的良好性質(zhì)；再對每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和平均跳數(shù)進(jìn)行限制，可以平衡每個(gè)簇的負(fù)載，讓剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)輪換簇頭，相對均衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量。本發(fā)明能夠全局平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，避免了出現(xiàn)由于部分節(jié)點(diǎn)過早失效而使網(wǎng)絡(luò)被分割成若干個(gè)互補(bǔ)相連的孤島的情況，延長了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，同時(shí)也提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
文檔編號H04W84/18GK101640944SQ20091011166
公開日2010年2月3日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者葉秀彩, 孔祥增, 林力偉, 力 許, 黃晨鐘 申請人:福建師范大學(xué)