專利名稱：一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次式分簇路由的簇首選擇及簇組織方法，更特 別地說，是指一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法。該分簇路由方法 實(shí)現(xiàn)了能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其目 的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān) 控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場、大型工業(yè) 園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量資源、計(jì)算能力和帶寬都非常有限，而且無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量密集的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)通常安置在人類無法進(jìn)入的環(huán) 境。這就決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)都必須以能源有效為首要的設(shè)計(jì)要素。無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前，也已經(jīng)有很多適用于無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。其中，分簇路由是很重要的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。分 簇路由協(xié)議，是將傳感器網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)局部區(qū)域，即所謂的簇，一個(gè)簇中有一個(gè)簇首 節(jié)點(diǎn)及多個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，當(dāng)簇內(nèi)的任意一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都首先發(fā)送給簇 首節(jié)點(diǎn)，并由簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指在網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能耗均衡，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能 耗小，網(wǎng)絡(luò)的使用壽命長。在分簇路由協(xié)議中，由于簇首節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)，簇首節(jié)點(diǎn)的能量消耗就比普通節(jié)點(diǎn)大得多，因此，在分簇路由協(xié)議中，需要采取 一定的策略均衡所有節(jié)點(diǎn)的能耗，并降低節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，實(shí)現(xiàn)能量 有效的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不是各自獨(dú)立的，其表現(xiàn)出比較強(qiáng)的相關(guān)性節(jié)點(diǎn)位 置相關(guān)性，節(jié)點(diǎn)間位置遠(yuǎn)近與通信能耗成正比；節(jié)點(diǎn)數(shù)值相似性，臨近節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)值 差異較??；節(jié)點(diǎn)協(xié)同性，必須多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同合作、共同感知才能產(chǎn)生有價(jià)值的信息。在 同一簇內(nèi)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的簇內(nèi)數(shù)據(jù)通信量小，并能夠提升簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合的效率， 減少簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送量，因此，能夠降低網(wǎng)絡(luò)的整體能量能耗。當(dāng)前的大多數(shù)分簇 路由方法在進(jìn)行分簇時(shí)一般只選用剩余能量作為分簇因素，沒有加入節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)性因 素，網(wǎng)絡(luò)能量消耗較大，生存時(shí)間較短。因此，將節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)性加入到無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)分簇方法中能夠進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明提供一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法。該分簇路由方法將節(jié)點(diǎn)間的位置相關(guān)性、數(shù)值相似性以及協(xié)同性加入至分簇路由方法中，選取分布均勻的簇首節(jié)點(diǎn)，選取通信能耗低的簇內(nèi)成員 節(jié)點(diǎn)加入簇。該方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)，第一方面依據(jù)節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)性和節(jié)點(diǎn)數(shù)值相似性計(jì)算 任意節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)間的通信能耗；第二方面依據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量概率生成臨時(shí)簇首節(jié) 點(diǎn)；第三方面依據(jù)節(jié)點(diǎn)的通信能耗選擇臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)成為最終簇首節(jié)點(diǎn)；第四方面依據(jù) 節(jié)點(diǎn)的通信能耗選擇最小能耗節(jié)點(diǎn)成為最終簇首節(jié)點(diǎn)；第五方面依據(jù)節(jié)點(diǎn)的通信能耗以 及節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同性選擇最小能耗的鄰居最終簇首節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)。該分簇路由 方法實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量有效，降低了簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送量，降低了 簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量，實(shí)現(xiàn)了所有簇首節(jié)點(diǎn)的能耗相似，從而形成了能量有效的無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法，為了實(shí)現(xiàn)能 耗均衡以及低能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用了下屬的處理步驟進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇第一步，計(jì)算任意節(jié)點(diǎn)與所有的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的最小能量消耗任意節(jié)點(diǎn)A擁有多個(gè)通信能級(jí)，節(jié)點(diǎn)A通過變換通信能級(jí)與遠(yuǎn)近不一的鄰居節(jié) 點(diǎn)通信，即與節(jié)點(diǎn)A位置近的節(jié)點(diǎn)選擇低通信能級(jí)，與節(jié)點(diǎn)A位置遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)選擇高通信 能級(jí)。節(jié)點(diǎn)A與鄰居節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)數(shù)值相似，以數(shù)值差值進(jìn)行通信能夠降低節(jié)點(diǎn)間的 通信數(shù)據(jù)量。使用節(jié)點(diǎn)最小通信能耗關(guān)系式獲得節(jié)點(diǎn)A與所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的最小 能量消耗NLCA_。。st ；該節(jié)點(diǎn)最小通信能耗關(guān)系式為
權(quán)利要求
1. 一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法，其特征在于為了實(shí)現(xiàn)能 耗均衡以及低能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用了下屬的處理步驟進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇 第一步，計(jì)算任意節(jié)點(diǎn)與所有的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的最小能量消耗 任意節(jié)點(diǎn)A擁有多個(gè)通信能級(jí)，節(jié)點(diǎn)A通過變換通信能級(jí)與遠(yuǎn)近不一的鄰居節(jié)點(diǎn) 通信，即與節(jié)點(diǎn)A位置近的節(jié)點(diǎn)選擇低通信能級(jí)，與節(jié)點(diǎn)A位置遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)選擇高通信能 級(jí)；節(jié)點(diǎn)A與鄰居節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)數(shù)值相似，以數(shù)值差值進(jìn)行通信能夠降低節(jié)點(diǎn)間的通 信數(shù)據(jù)量；使用節(jié)點(diǎn)最小通信能耗關(guān)系式獲得節(jié)點(diǎn)A與所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的最小能 量消耗 NLCA_。。st;該節(jié)點(diǎn)最小通信能耗關(guān)系式為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法，其特征 在于對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)A的分簇流程按照如下所述步驟進(jìn)行步驟101:節(jié)點(diǎn)A感知周圍鄰居節(jié)點(diǎn)，計(jì)算、廣播與周圍鄰居節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信的最小 能量消耗NLCA_e。st，轉(zhuǎn)至步驟102; 該節(jié)點(diǎn)最小通信能耗關(guān)系式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法，其特征在于對(duì)于任意不被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋的節(jié)點(diǎn)A選擇最小能耗節(jié)點(diǎn)成為最終簇首節(jié)點(diǎn)的處理過程MNCH的流程按照如下所述步驟進(jìn)行步驟201:在節(jié)點(diǎn)A及A的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇最小能耗節(jié)點(diǎn)及次小節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)至步驟 201-1 ；步驟201-1:判斷節(jié)點(diǎn)A是否為能耗最小節(jié)點(diǎn)，若是，轉(zhuǎn)至步驟202，否則，轉(zhuǎn)至步 驟 201-2 ；步驟201-2:節(jié)點(diǎn)A認(rèn)為的最小能耗節(jié)點(diǎn)是否成為最終簇首節(jié)點(diǎn)，若是，則轉(zhuǎn)至步驟 203，否則，轉(zhuǎn)至步驟201-3;步驟201-3:判斷節(jié)點(diǎn)A是否為能耗次小節(jié)點(diǎn)，若不是，轉(zhuǎn)至步驟201-4，若是，轉(zhuǎn) 至步驟201-5 ；步驟201-4:判斷節(jié)點(diǎn)A周圍是否存在最終簇首節(jié)點(diǎn)，若存在，則轉(zhuǎn)至步驟203，否 則，轉(zhuǎn)至步驟201;步驟201-5:判斷節(jié)點(diǎn)A是否被其他的能耗次小節(jié)點(diǎn)追隨，若沒有，則轉(zhuǎn)至步驟 202，否則，轉(zhuǎn)至步驟201-6;步驟201-6:判斷節(jié)點(diǎn)A周圍是否存在最終簇首節(jié)點(diǎn)，若存在，則轉(zhuǎn)至步驟202，否 則，轉(zhuǎn)至步驟201-7;步驟201-7:判斷節(jié)點(diǎn)A追隨的最小能耗節(jié)點(diǎn)是否被覆蓋，若是，則轉(zhuǎn)至步驟202， 否則，轉(zhuǎn)至步驟201-5;步驟202:廣播節(jié)點(diǎn)A為最終簇首節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A為最終簇首節(jié)點(diǎn)，則結(jié)束；步驟203 節(jié)點(diǎn)A在鄰居最終簇首節(jié)點(diǎn)中選擇通信最小能耗的作為A加入的簇首節(jié) 點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋，則結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法，其特征 在于對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)A在選擇加入通信能耗最小的簇首節(jié)點(diǎn)時(shí)，按照如下流程進(jìn)行步驟301:節(jié)點(diǎn)A感知周圍存在的簇首節(jié)點(diǎn)以及與節(jié)點(diǎn)A具有協(xié)同性的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)至 步驟301-1 ；步驟301-1:判斷節(jié)點(diǎn)A的鄰居節(jié)點(diǎn)中是否存在與節(jié)點(diǎn)A協(xié)同的節(jié)點(diǎn)，若不存在， 則轉(zhuǎn)至步驟302，若存在，轉(zhuǎn)至步驟301-2;步驟302 在鄰居簇首節(jié)點(diǎn)中選擇通信能耗最小的簇首節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)A加入的簇首節(jié) 點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋，則結(jié)束；步驟301-2:判斷節(jié)點(diǎn)A的鄰居協(xié)同節(jié)點(diǎn)中是否存在簇首節(jié)點(diǎn)，若存在，轉(zhuǎn)至步驟 303，否則，轉(zhuǎn)至步驟304;步驟303:節(jié)點(diǎn)A將鄰居協(xié)同節(jié)點(diǎn)中的簇首節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)A加入的簇首節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn) A被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋，則結(jié)束；步驟304 節(jié)點(diǎn)A在協(xié)同節(jié)點(diǎn)中選擇與簇首節(jié)點(diǎn)通信能耗最小的節(jié)點(diǎn)作為協(xié)同中轉(zhuǎn)節(jié) 點(diǎn)，并將此節(jié)點(diǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)A加入的簇首節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋， 則結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由方法，將節(jié)點(diǎn)間的位置相關(guān)性、數(shù)值相似性作為節(jié)點(diǎn)通信能耗大小的依據(jù)，將節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同性作為節(jié)點(diǎn)選擇簇首節(jié)點(diǎn)的依據(jù)。本發(fā)明首先計(jì)算任意節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的最小能量消耗，然后依據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量概率生成臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)，然后選擇臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)成為最終簇首節(jié)點(diǎn)，然后選擇最小能耗節(jié)點(diǎn)成為最終簇首節(jié)點(diǎn)，最后非簇首節(jié)點(diǎn)選擇最小能耗的鄰居最終簇首節(jié)點(diǎn)作為自己加入的簇首節(jié)點(diǎn)。依據(jù)此方法能夠形成簇首節(jié)點(diǎn)分布均勻的網(wǎng)絡(luò)，使得成簇范圍內(nèi)不會(huì)存在兩個(gè)或者多個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)目相似，簇首節(jié)點(diǎn)的能耗相似，簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)通信能耗低，最終實(shí)現(xiàn)能耗均衡、低能耗的能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102014455SQ20101055494
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者劉偉, 唐曉嵐, 張義, 曹科, 熊璋, 蒲菊華 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)