[发明专利]成簇方法与装置、簇头与基站的路由方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种成簇方法与装置、簇头与基站的路 由方法与装置。

背景技术

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是一种综合了传感器技术、嵌入式计 算技术、分布式信息处理技术和通信技术的多跳移动性对等网络，一般由一个或多个基站 (Sink节点)和大量部署于监测区域、配有各类传感器的无线网络节点构成。每个节点成本 低，功耗小，具有一定计算处理能力、通信能力。WSN采用无线通信的方式动态组网，能够 协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息 进行处理，获得详尽而准确的信息，并最终传送到需要这些信息的用户。虽然单个节点采集 数据并不精确，也不可靠，但是大量节点相互协作形成高度统一的网络结构，提高了数据采 集的准确度和运行的可靠性，可部署于在敌占区、灾害区、核反映堆等人力不可达的特殊区 域进行数据采集、传输等，具有其他网络无法比拟的特性，广泛用于国防、环境监测、智能 家居等。

但是无线传感器网络不同于传统无线自组网，其节点采用通常不可替换的(不可充的)、 能量有限的电池供电，计算能力、处理能力、存储能力、通信能力都有限，而且节点数目往 往非常庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集，由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出 现故障，因此，传统的无线网络协议无法直接应用在无线传感器网络中。

在无线传感器网络技术中，网络拓扑控制能够自动生成良好网络拓扑结构，对于提高网 络能量使用效率、延长网络生命周期、提高路由效率、减小网络延迟以及目标定位等很多方 面都有重要意义。目前主要的拓扑控制技术有层次型拓扑控制。层次型拓扑控制将节点划分 为多个簇，给节点赋予不同的功能角色，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其 他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。簇是具有某种关联的网 络节点的集合，每个簇由一个簇头(CH，Cluster Head)和多个簇内成员(Cluster Member) 组成。成员节点只向簇头发送数据，簇头收集成员节点的数据并运行数据融合算法，形成新 的数据包，然后通过某种路由策略将数据发送到汇聚节点(Sink节点)。簇头通过相应算法在 簇内选举产生，负责管理或控制整个簇的运行方式，协调簇成员的工作。分簇拓扑结构便于 管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合 大规模网络。最典型的簇头选择以及分簇方法中，每个节点根据随机数自主决定是否当选簇 头，缺点是每轮产生的簇头没有确定的数量和位置，也不能保证簇头均匀分布。为解决该方 法的这一不足，现有技术的改进方法一中每个节点需要把自身地理位置和当前能量报告给基 站，这样就能保证簇头均匀分布。但是这样做节点通信频繁，能耗较大。另外，剩余能量是 节点的重要状态信息，也是簇头竞选的重要参数。因此，现有技术的改进方法二基于节点剩 余能量选择簇头，并实现了节点的均匀分布。但该方法的成簇过程需要收集区域内每个节点 剩余能量等状态信息，能耗开支较大，且簇头的选择仅考虑了节点剩余能量信息，容易导致 簇内平均通信距离大而能耗偏高。

在对现有技术进行分析后，发明人发现：虽然剩余能量在选择簇头过程中地位重要，但 在复杂的环境下，以剩余能量为簇头竞选的首要条件显得并不充分，其他因素比如节点的地 理位置信息同样举足轻重。当剩余能量最多的节点集中在某一个区域，或者比较孤立的分布 在某个区域，或者多个高剩余能量的节点彼此相隔较近，则簇成员到簇头的距离较远，形成 的簇并不是最优的，反而可能导致更多的能耗。

另外，发明人还发现：现有成簇算法不能对簇头进行有效监控、不能保障簇管理的鲁棒 性，如果簇头因某种原因突然失效则会对网络造成不同程度的影响。

为了保证WSN的路由鲁棒性，现有技术提出建立从源节点到目的节点的成本梯度递减 的方向交错网络，每一跳以多个节点转发数据，保证了数据的可靠性。但发明人发现：其维 护通信梯度的能耗成本较高。在路由选择过程中，根据全局信息实现路由，节点需要不断交 换信息来更新路由表，然而WSN的节点能量有限，所以这种方式不适合WSN。

发明内容

为了为了高效利用有限的网络资源，尽可能压缩不必要的开销以及节能，本发明实施例 提供了一种成簇方法与装置、簇头与基站的路由方法与装置。所述技术方案如下：

一种成簇方法，包括以下步骤：