本發(fā)明涉及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡快速分簇方法，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種綜合了無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式分布計(jì)算技術(shù)及智能信息處理等技術(shù)的新型測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地對(duì)各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集并傳送給用戶。

目前的分簇拓?fù)渌惴ㄔ诖氐男纬珊痛仡^選舉上會(huì)消耗較多的能量，尤其是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較小的網(wǎng)絡(luò)中，容易造成遠(yuǎn)近節(jié)點(diǎn)得能耗不均衡，部分節(jié)點(diǎn)過早耗盡能量。另外，采用簇內(nèi)多跳法進(jìn)行維護(hù)很容易造成子節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間過長(zhǎng)，能量效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有分簇算法的能耗不均衡，節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間長(zhǎng)，能量利用率低等不足問題，提出一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡快速分簇方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思如下：

本發(fā)明包含快速分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立和數(shù)據(jù)收集兩個(gè)階段；快速分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立階段通過成簇參數(shù)來獲得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息，并基于該成簇參數(shù)來構(gòu)建快速分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分為兩類：一類靠近簇頭，可以直接與簇頭通信；另一類離簇頭較遠(yuǎn)，通過第一類節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)才能與簇頭通信；采用這種多跳方法平衡節(jié)點(diǎn)的發(fā)射能耗，使較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)不需要大功率發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過簇的建立后，進(jìn)入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收集階段。數(shù)據(jù)收集階段分為同步階段、外層工作階段與內(nèi)層工作階段。在同步階段，簇頭發(fā)布攜帶控制命令的同步信號(hào)，所有節(jié)點(diǎn)以此為時(shí)鐘基準(zhǔn)；在外層工作階段，外層的奇子區(qū)和偶子區(qū)交替地將數(shù)據(jù)發(fā)往內(nèi)層相關(guān)的父節(jié)點(diǎn)；在內(nèi)層工作階段，內(nèi)層節(jié)點(diǎn)將自身的和中轉(zhuǎn)的所有信息按照時(shí)隙依次地發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。簇頭將內(nèi)外層節(jié)點(diǎn)控制處理好后，還將外層分為不同的子區(qū)，并標(biāo)記為奇數(shù)和偶數(shù)子區(qū)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)形成空間隔離，不互相干擾；同時(shí)子區(qū)的位置和大小容易控制，在時(shí)序控制上容易實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡快速分簇方法，包括如下步驟：

步驟一，快速分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立：通過節(jié)點(diǎn)間的信息交換來構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由簇頭和傳感器互相協(xié)作完成，分為兩步進(jìn)行：

（1）內(nèi)層通信模塊劃分：簇頭發(fā)出命令后根據(jù)返回的RSSI值大小，劃分出內(nèi)層節(jié)點(diǎn)，并對(duì)它們的相對(duì)位置進(jìn)行編號(hào)；

（2）外層通信模塊劃分：簇頭命令每個(gè)內(nèi)層節(jié)點(diǎn)對(duì)外廣播RSSI測(cè)試信息，根據(jù)收集到的反饋信息，定義每一內(nèi)層節(jié)點(diǎn)與外層節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)通關(guān)系，并由此關(guān)系定義各個(gè)子區(qū)；

步驟二，數(shù)據(jù)收集：快速分簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)過建立完成后，開始進(jìn)入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收集階段，數(shù)據(jù)收集階段分為同步階段、外層工作階段與內(nèi)層工作階段共三個(gè)階段：

（1）同步階段：簇頭發(fā)布同步信號(hào)，傳到內(nèi)層通信模塊和外層通信模塊，兩個(gè)模塊做好反饋信息的準(zhǔn)備；

（2）外層工作階段：上一步中，將外區(qū)劃分好過后分別編號(hào)，根據(jù)編號(hào)劃分奇子區(qū)和偶子區(qū)，同時(shí)外層的奇子區(qū)和偶子區(qū)交替地將數(shù)據(jù)發(fā)往內(nèi)層相關(guān)的父節(jié)點(diǎn)，防止子區(qū)之間的相互干擾；

（3）內(nèi)層工作階段：內(nèi)層節(jié)點(diǎn)將自身的和中轉(zhuǎn)的所有信息按照時(shí)隙依次地發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明方法針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較小的網(wǎng)絡(luò)，采用了快速分簇和并行傳輸相結(jié)合的方法，，既避免了在拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立時(shí)頻繁選舉簇頭的能量損耗，又避免了分簇結(jié)構(gòu)之間的互相干擾問題。當(dāng)分簇拓?fù)浣r(shí)，將能量較多的簇頭按比例均勻部署在網(wǎng)絡(luò)中，可以避免繁復(fù)的選舉簇頭浪費(fèi)能量，充分發(fā)揮高能量簇頭的功能優(yōu)勢(shì)，對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)有序控制，從而達(dá)到能耗均衡的目的。本方法能有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，并能有效避免簇間干擾。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述快速分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立示意圖，其中（a）為內(nèi)外層節(jié)點(diǎn)劃分示意圖，（b）為子區(qū)建立示意圖，（c）為子區(qū)分布圖。

圖2為本發(fā)明所述快速分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立方法流程圖。

圖3為本發(fā)明所述數(shù)據(jù)收集的時(shí)隙控制圖，其中（a）為奇時(shí)隙工作子區(qū)，（b）為偶時(shí)隙工作子區(qū)，（c）數(shù)據(jù)收集階段時(shí)隙控制圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

首先介紹RSSI的定義：接收的信號(hào)強(qiáng)度指示，用來判定鏈接質(zhì)量，內(nèi)外層節(jié)點(diǎn)區(qū)分的依據(jù)，以及是否增大廣播發(fā)送強(qiáng)度。

TDMA：時(shí)分多址的時(shí)隙分配方法。

一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡快速分簇方法，包括如下步驟：

步驟一：快速分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立，分為內(nèi)層區(qū)域劃分和外層子區(qū)域劃分，具體劃分方法參考圖1和圖2：

步驟1：簇頭發(fā)出廣播“RSSI值大于K的成員請(qǐng)應(yīng)答”命令；

步驟2：圖1（a）中a8距離A較近，RSSI值較大，符合步驟1的要求，a8節(jié)點(diǎn)對(duì)簇頭進(jìn)行應(yīng)答，b14距離較遠(yuǎn)，RSSI值未達(dá)到要求，則舍去；

步驟3；所有點(diǎn)的確定方法與步驟2相同，簇頭收到應(yīng)答信息后再次發(fā)送確認(rèn)內(nèi)層節(jié)點(diǎn)的信息；

步驟4：簇頭命令內(nèi)層節(jié)點(diǎn)廣播RSSI測(cè)試信息，根據(jù)收到的RSSI值確定內(nèi)層節(jié)點(diǎn)成員位置排序，如圖1（a）中a1-a8；

步驟5：簇頭選擇地址編號(hào)最小的內(nèi)層節(jié)點(diǎn)如a1對(duì)外廣播RSSI測(cè)試信息，并監(jiān)測(cè)應(yīng)答信息并反饋給簇頭A，如圖1（b）箭頭表示；

步驟6：重復(fù)步驟5，直到所有內(nèi)層節(jié)點(diǎn)都廣播一遍RSSI測(cè)試信息并反饋給簇頭；

步驟7：簇頭根據(jù)步驟5、6反饋的信息確定內(nèi)層節(jié)點(diǎn)和外層節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)通關(guān)系；

步驟8：簇頭由步驟7確定的聯(lián)通關(guān)系劃分外層子區(qū)，為了防止負(fù)載過重，每個(gè)子區(qū)的整體節(jié)點(diǎn)數(shù)目不超過3，按照該規(guī)則得出圖1（b）的子區(qū)；

步驟9：簇頭發(fā)布子區(qū)分布結(jié)果，如圖1（c）所示，快速分簇方法見圖2。

步驟二：異快速分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立完成后，進(jìn)入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收集控制階段，數(shù)據(jù)收集控制階段的工作時(shí)序具體步驟參考圖3。

步驟1：簇頭給內(nèi)層節(jié)點(diǎn)和外層節(jié)點(diǎn)發(fā)布帶有控制命令的同步信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)；

步驟2：如圖3(a)中，子區(qū)1中a1對(duì)b1、b16收集數(shù)據(jù)，子區(qū)3中a3對(duì)b4、b5收集數(shù)據(jù)，也就是說，奇數(shù)子區(qū)可以同時(shí)收集自己的數(shù)據(jù)；而2、4、6、8偶數(shù)子區(qū)這個(gè)時(shí)刻不工作。此目的是為了防止相鄰子區(qū)的無線干擾，而奇數(shù)子區(qū)之間由于相隔一定距離不會(huì)相互干擾，所以可以同時(shí)工作。收集數(shù)據(jù)按照?qǐng)D3(c)時(shí)序，先實(shí)現(xiàn)外層奇數(shù)子區(qū)內(nèi)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集，由于子區(qū)包含二個(gè)節(jié)點(diǎn)，故占用二個(gè)時(shí)隙。

步驟3：如圖3(b)中，子區(qū)2中a2對(duì)b2、b3收集數(shù)據(jù)，子區(qū)4中a4對(duì)b6、b7收集數(shù)據(jù)，也就是說，偶數(shù)子區(qū)可以同時(shí)收集自己的數(shù)據(jù)；而1、3、5、7奇數(shù)子區(qū)這個(gè)時(shí)刻不工作。此目的是為了防止相鄰子區(qū)的無線干擾，而偶數(shù)子區(qū)之間由于相隔一定距離不會(huì)相互干擾，所以可以同時(shí)工作。收集數(shù)據(jù)按照?qǐng)D3(c)時(shí)序，先實(shí)現(xiàn)外層偶數(shù)子區(qū)內(nèi)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集，由于子區(qū)包含二個(gè)節(jié)點(diǎn)，故占用二個(gè)時(shí)隙。

步驟4：內(nèi)層節(jié)點(diǎn)將接收到的所有外層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息以時(shí)隙分配方式按照節(jié)點(diǎn)編號(hào)依次發(fā)送給簇頭A。