本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡通信領域，尤其是一種Zigbee無線通信網(wǎng)絡中為了延長網(wǎng)絡有效生命周期最優(yōu)簇首數(shù)的選擇方法，特指低功耗自適應分群分層路由協(xié)議。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線測控節(jié)點在許多無人區(qū)、偏遠地區(qū)、戰(zhàn)場等特殊環(huán)境下的應用日趨廣泛，但大多數(shù)無線傳感節(jié)點無法由市電供電，必須由電池供電，當前世界的電池容量技術(shù)增長緩慢，同時還需要兼顧物理體積和降低成本等因素，節(jié)約節(jié)點能耗顯得非常重要。當節(jié)點供電電池能量低于維持正常工作所需要電量時，該節(jié)點隨之失效。當網(wǎng)絡節(jié)點失效個數(shù)達到一定比例時，整個網(wǎng)絡失效。因此降低節(jié)點功耗對于提高無線傳感網(wǎng)絡的有效生命周期具有重要意義。

在采用LEACH協(xié)議中，無線傳感節(jié)點被分成許多簇，每個簇每一輪選擇一個節(jié)點作為簇首，簇首除了完成自身感知任務外，還需要接受其他節(jié)點的感知數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給基站。簇首節(jié)點的數(shù)量直接影響無線傳感網(wǎng)絡的性能。當簇首節(jié)點過少，則每個簇覆蓋的面積過大，普通節(jié)點與簇首節(jié)點之間的通信距離過大，相互之間通信的能耗也會相應增加，而且由于每個簇節(jié)點過多，簇首需要接收和融合的節(jié)點數(shù)據(jù)過多都不利于優(yōu)化網(wǎng)路的有效生命周期；相反當簇首節(jié)點過多會降低數(shù)據(jù)融合效率和失去節(jié)點分簇的意義。因此當采用LEACH協(xié)議時，選取合適的簇首數(shù)具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種無線通信中延長網(wǎng)絡生命周期的最優(yōu)簇首數(shù)選擇方法，根據(jù)測量現(xiàn)場實際情況，優(yōu)化計算所有測量節(jié)點的分簇數(shù)，減少無線傳感網(wǎng)絡的總能耗，達到延長無線傳感網(wǎng)絡有效生命周期的目的。。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種無線通信中延長網(wǎng)絡生命周期的最優(yōu)簇首數(shù)選擇方法，包括以下步驟：

1)確定無線傳感網(wǎng)絡中的功率損耗，包括節(jié)點發(fā)送k比特數(shù)據(jù)功耗、接收k比特數(shù)據(jù)功耗以及無線通信距離；

2)在監(jiān)控區(qū)域分布多個監(jiān)控節(jié)點；把所有節(jié)點分成多個簇，則每個簇有多個節(jié)點；確定簇首的能量損耗以及普通節(jié)點的能量損耗；

3)確定節(jié)點的分布密度，計算普通節(jié)點與簇首距離的平方的期望值；

4)利用步驟3)計算出的數(shù)值算出普通節(jié)點的能耗、每個簇的總能耗以及整個網(wǎng)絡多個簇的總能耗；

5)令整個網(wǎng)絡多個簇的總能耗對簇數(shù)求導，并令其等于零，計算出簇首節(jié)點；

6)確認本輪的簇首后，每個簇首向加入自己的非簇首節(jié)點發(fā)出一個信息，該信息包含發(fā)送節(jié)點的ID和簇首的ID號。

進一步的說，本發(fā)明所述的步驟1)中，節(jié)點發(fā)送k比特數(shù)據(jù)功耗等于發(fā)射k比特數(shù)據(jù)發(fā)射電路功耗與發(fā)射k比特數(shù)據(jù)時功率放大電路功耗之和；接收k比特數(shù)據(jù)功耗等于發(fā)射k比特數(shù)據(jù)發(fā)射電路功耗。

再進一步的說，本發(fā)明所述的步驟2)中，簇首的能量損耗分為接收普通節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的功耗、把各節(jié)點上傳數(shù)據(jù)融合的功耗和把融合數(shù)據(jù)發(fā)送給基站的功耗。

再進一步的說，本發(fā)明所述的步驟3)中，普通節(jié)點根據(jù)距離的遠近加入相應的簇，簇的分布是相應以簇首為圓心的一個圓形區(qū)域。

再進一步的說，本發(fā)明所述的步驟6)中，每個簇首通過CSMA MAC協(xié)議廣播公告信息，該信息包含簇首節(jié)點的ID，通知其它節(jié)點本輪自己是一個簇首節(jié)點。

本發(fā)明的有益效果是：

1、通過優(yōu)化分析計算固定節(jié)點中的最優(yōu)簇首數(shù)q，把無線傳感節(jié)點分成q個簇，使簇首工作量和數(shù)據(jù)融合效率接近最佳平衡狀態(tài)，節(jié)約了無線傳感網(wǎng)絡能耗，達到延長網(wǎng)絡有效生命周期的目的；

2、每個簇內(nèi)節(jié)點輪流擔任簇首，使簇內(nèi)節(jié)點能耗更趣平衡，避免了個別節(jié)點能耗過大提前失效的現(xiàn)象發(fā)生。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明低功耗自適應分群分層協(xié)議示意圖；

圖2是本發(fā)明無線傳感節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明節(jié)點分簇的初始化流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1所示，無線傳感網(wǎng)絡采用自適應分群分層路由協(xié)議，節(jié)點被分成若干簇，由于簇首除了完成普通節(jié)點的感知任務外，還需要把簇內(nèi)其他節(jié)點的感知數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給基站，能耗遠遠大于普通節(jié)點，為了使各節(jié)點能耗趨于平衡，簇首由簇內(nèi)節(jié)點輪流擔當。

無線傳感節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，CPU采用TI公司的CC2520第二代Zigbee/IEEE802.15.4RF收發(fā)器，工作于2.4GHz的ISM頻段，支持幀處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)鑒權(quán)、空閑頻道檢測和幀定時信息等。供電電池采用IFR26650鋰電池。

在無線傳感網(wǎng)絡中功率損耗可表示如下：

E_rx＝E_elec(k)＝kE_elec (2)

公式(1)、(2)、(3)中E_tx表示節(jié)點發(fā)送k比特數(shù)據(jù)功耗，E_rx表示接收k比特數(shù)據(jù)功耗，E_elec(k)表示發(fā)射k比特數(shù)據(jù)發(fā)射電路功耗，E_ampk表示發(fā)射k比特數(shù)據(jù)時功率放大電路功耗，E_elec表示發(fā)射或接收每比特數(shù)據(jù)發(fā)射和接收電路功耗，e_fs為自由空間傳輸參數(shù)，e_mp為多路徑衰減傳輸參數(shù)，d₀表示無線通信距離。

假設面積為X*X的監(jiān)控區(qū)域分布著p個監(jiān)控節(jié)點；如果把所有節(jié)點分成q個簇，則每個簇有p/q個節(jié)點。簇首節(jié)點一般距離基站的距離較遠，假定能量損耗采用多路徑衰減傳輸，則簇首的能量損耗分為接收普通節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的功耗、把各節(jié)點上傳數(shù)據(jù)融合的功耗和把融合數(shù)據(jù)發(fā)送給基站的功耗，如公式(4)所示：

其中k表示普通節(jié)點向簇首發(fā)送k比特數(shù)據(jù)；E_elec表示接收1比特數(shù)據(jù)能耗；E_rh表示分析融合1比特數(shù)據(jù)能耗。

普通節(jié)點能耗E_m為：

E_m＝kE_elec+kε_fsd² (5)

由于普通節(jié)點和簇首通信距離較近，所以選擇自由空間方式傳輸。在X²監(jiān)控面積范圍內(nèi)，每個簇首的監(jiān)控面積為X²/p，節(jié)點的分布密度設為ρ(a,b)，則普通節(jié)點與簇首距離的平方的期望值是：

E(d²)＝∫∫(a²+b²)ρ(a,b)dadb＝∫∫r²ρ(r,θ)drdθ (6)

普通節(jié)點一般根據(jù)距離的遠近加入相應的簇，所以簇的分布是相應以簇首為圓心的一個圓形區(qū)域。該圓形區(qū)域的半徑可近似為

則公式(6)可簡化為：

當簇內(nèi)節(jié)點密度分布均勻時：

ρ＝1/(X²q) (9)

由公式(9)可以得到

普通節(jié)點的能耗為

每個簇的總能耗為：

整個網(wǎng)絡k個簇的總能耗為：

令E_total對q求導，并令其等于0，可以得到q的值為：

在無線傳感網(wǎng)路中，各個簇到基站的距離不一樣，把簇首到基站的最遠和最近距離值代入公式(14)即可求得簇首節(jié)點。

基站通過上述算法確認本輪的簇首后，如圖3所示，每個簇首通過CSMAMAC協(xié)議廣播一條公告信息，該信息包含簇首節(jié)點的ID，通知其它節(jié)點本輪自己是一個簇首節(jié)點，簇首向加入自己的非簇首節(jié)點發(fā)出一個信息，該信息包含發(fā)送節(jié)點的ID和簇首的ID號。

以上說明書中描述的只是本發(fā)明的具體實施方式，各種舉例說明不對本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后可以對以前所述的具體實施方式做修改或變形，而不背離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。