[发明专利]无线传感器分簇多跳通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的分簇多跳通信方法。

背景技术

无线传感器网络是由一组传感器以Ad hoc方式组成的有线或者无线网络，其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者，具有大规模性、自组织性、动态性、可靠性、应用相关性、以数据为中心性等主要特点，可广泛应用于教育、军事、医疗、交通等诸多领域，拥有巨大的应用潜力和商业价值，因此，引起了国内外广泛的关注和研究。与传统Ad Hoc网络相比，无线传感器网络节点密度高，传感器节点数量众多，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的Ad Hoc网络；传感器节点由电池供电，节点能量有限，处理能力、存储能力和无线通信能力相对有限，故网络应具备容错能力。基于无线传感器网络的这些特点，如何高效地利用这些有限的能量和资源，尽可能地延长网络的生存周期，成为无线传感器网络研究的热点之一。相关研究表明，随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上，因此无线通信的次数和通信的距离直接影响了整个网络的能量消耗和生存周期。

无线传感器网络通常使用多跳技术，每个节点监测采集的数据沿着其它节点逐跳地进行传输，在传输过程中数据可能被路由中的多个节点处理、存储和转发，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过汇聚节点传达给用户。在这种多跳方式下，靠近汇聚节点的节点由于负载过重更容易耗尽能量而提前失效。而如果网络是在单跳方式下，远离基站的节点容易因能耗较大而提早死亡。这些过早失效的节点可能会导致整个网络分割成若干个互补相连的孤岛，缩短了整个传感器网络的生存周期。因此在设计传感器网络中提出分簇确定方法来提高网络的能量有效性。分簇的基本思想是把网络划分成互不重叠的若干部分即簇，使得数据通信形成簇内通信和簇间通信的不同层次。每个簇选出一个节点充当簇头，负责簇的管理并形成全网的骨架。由此使得网络中的节点相对均衡地消耗能量，延长网络的生存周期。

低能耗自适应递阶分簇算法(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)是最早提出的WSN分簇路由协议，也是目前代表性的分簇确定方法。LEACH的基本思想是通过随机循环选择簇头，使各个节点等概率地分担簇头任务，相对均衡地分担负荷。但是实际如此设计路由，依然会导致部分节点能量提前耗尽。这是因为产生簇头的随机性导致整个网络中簇头分布的不均匀，或者因为随机选择簇头时，仅仅考虑了概率因素，并未考虑到节点的剩余能量，这样的负载均衡策略是不完备的。有可能存在某一节点的剩余能量已经很小但仍被选为簇头，并且由于簇内进行单跳通信，远距离的单跳通信会导致能量最快能以四次方的速率被快速消耗殆尽。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，通过结合虚拟删边、对平均跳数和节点个数的限制以及传感器网络的能量均衡机制，提出一种基于小世界模型的无线传感器网络分簇多跳通信方法，该方法能够有效减少和均衡整个无线传感器网络中节点的能量消耗，延长整个网络的生存时间，并可以提高网络的健壮性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：这种基于小世界模型的无线传感器分簇多跳通信方法，包括如下主要步骤：

(1)初始阶段，每个节点都记录其邻居节点的相关信息，判断此时网络中有哪些节点是自己的邻居节点；

(2)计算网络中每条边的集聚系数，然后从小到大虚拟地删除集聚系数较小的边，直至网络被划分为若干独立的子网；

(3)判断上述各子网哪些需要被继续划分成更小的子网：如果一个子网同时满足以下两个条件：

a.该子网内每个节点的平均跳数为l，l≤h，h为预先设定的整数；

b.该子网内的节点个数为m，m≤M，M为预先设定的整数；

则将该子网标记为一个簇，否则将该子网继续划分为若干更小的子网；

(4)由于在起始阶段假设所有节点都具有相同的能量和传输半径，第一次选取簇头时，随机地从每个簇里选取一个节点充当簇头，以负责收集该簇成员传送过来的数据，再通过多跳转发给汇聚节点；在经过一个工作周期后，选取每个簇里剩余能量最多的节点取代簇头，以进行簇头轮换。

(5)识别和标记每个簇：每个节点再次记录此时其邻居节点的信息，判断此时网络中有哪些节点仍是自己的邻居节点；如果步骤(1)和本次都记录为邻居节点的节点是簇内节点，而步骤(1)中记录为邻居节点但本次记录不是邻居节点的节点为簇外节点，从而完成簇内节点和簇外节点的判断；节点在当选为簇头节点后将自己的信息广播给簇内成员。