[发明专利]一种无线传感器网络分簇路由的局部按需簇首更换方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于无线传感器网络的层次式分簇路由的簇首更换方法，更特别地说，是指一种能够局部按需更换簇首的方法。

背景技术

无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，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，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。

无线传感器网络中节点的能量资源、计算能力和带宽都非常有限，而且无线传感器网络通常由大量密集的传感节点构成，这些节点通常安置在人类无法进入的环境。这就决定了无线传感器网络协议栈各层的设计都必须以能源有效性为首要的设计要素。无线传感器网络的路由技术是无线传感器网络领域的研究热点，目前，也已经有很多适用于无线传感器网络的路由协议。其中，分簇路由就是很重要的一种无线传感器网络路由协议。分簇路由协议，它是将传感器网络分成若干个局部区域，即所谓的簇，一个簇中有一个簇首，当簇内的任意一个节点要发送数据时，都首先发送给簇首，并由簇首节点进行转发。

在分簇路由协议中，由于簇首节点需要转发簇内所有节点的数据，因此，簇首节点的能量消耗就比普通节点大得多，因此，在分簇路由协议中，需要采用一定的策略更新簇首节点，从而提高簇首节点乃至整个网络的寿命。

LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议就是一种典型的层次式分簇路由方法。在LEACH协议中，在运行阶段为了防止簇首能耗过低，要定时循环执行簇首的更换过程，在网络运行一段时间后，全网统一发起簇首更换，该协议认为每个节点成为簇首的机会均等，因此，在换簇的过程中，重点关心节点是否当过簇首，更换时则从未当过簇首的所有簇内节点就容易成为新的簇首，不管该节点是否有足够的能量。而LEACH-C协议是LEACH协议的改进版，在簇首的选取和更换时将节点的能量也作为了一个选取条件，当前剩余能量较大的节点担任簇首的概率要大一些，这种改进避免了低能量节点成为簇首，可以有效改善由于能量消耗不均带来的问题。

但是无论是LEACH协议和LEACH-C协议，它们和现有的其它层次式路由方法一样，都是定时在全网范围内发起簇首更换。更换簇首能够均衡网络能量消耗，但是对于一些没有进行数据频繁发送的区域，定时更换簇首是没有必要的，同时对于数据频繁发送的众多区域，需要更换簇首的时间间隔也不能完全一致，所以采用定时发起全网簇首更换的方式来进行簇首的更换并不科学，一方面换簇本身要消耗一定的能量，不恰当的换簇实际上会带来能耗的浪费，另一方面全网范围换簇，会让全网都暂时阻塞进入换簇工作模式，而放弃了数据监控。为了解决这个问题，本发明提出了一种能够局部按需更换簇首的方法。

发明内容

本发明的目的是提供能够局部按需更换簇首的方法，通过该方法，可以实现无线传感器网络中分簇层次式路由中的簇首更换，并且通过局部按需更换簇首减少了原来的全网换簇的能源消耗等问题。本发明所采用的技术方案是：由簇内的非簇首节点时刻监听簇首发送数据包的情况，并以此来估算簇首的剩余能量，根据所估算的簇首剩余能量和非簇首节点自身能量之间的大小关系，在必要时发起换簇申请，以此来实现局部按需进行更换簇首。该方法的簇首更换是以簇为单位的，各簇是否换簇、何时换簇、以及由哪个新的节点作为簇首都是独立的，从而可以减少全网定时换簇的能源消耗，达到一个全网的能量均衡。

本发明的一种无线传感器网络分簇路由的局部按需簇首更换方法，该方法在簇建立完成或者簇首更新之后，簇首节点按照层次式路由转发数据，同时监听簇内非簇首节点是否发送换簇申请；

如果没有非簇首节点发起换簇申请，则继续以自身为簇首进行层次式路由；

当有非簇首节点发送换簇申请，则根据这些非簇首节点的能量和自身能量，决定是否同意非簇首节点的换簇申请，如果同意，则选出了新簇首，进入簇的更新阶段；如果不同意，则继续以自身为簇首进行层次式路由；

非簇首节点在按照层次式路由转发数据，同时监听簇首节点转发报文来估算簇首的能量信息，如果簇首的能量大于自身的能量则继续以非簇首身份进行层次式路由；否则向簇首发出换簇申请，如果簇首同意了换簇首申请，则成为新一轮的簇首，进入簇的更新阶段，否则继续以非簇首身份进行层次式路由；