[发明专利]面向数据快速汇聚的无线传感器执行器网络分簇方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无线网络技术领域的方法，具体是一种面向数据快速汇聚的无线传感器执行器网络分簇方法。

背景技术

无线传感器执行器网络(Wireless Sensor and Actor Networks，WSANs)衍生于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)，综合了无线通信、计算机科学、微电子、自动化、测控等多学科技术。它由部署在监测区域内大量低成本、低功耗并具备感知、数据处理和无线通讯能力的传感器节点(Sensor Node)，和少量具备更强通讯和数据处理能力并能主动实施动作的执行器(Actor)组成。由于无线传感器执行器网络具有自组织性、易于铺设、动态性、和抗毁性强等特点，因而在军事国防、工农业、城市管理、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和广泛的应用前景，已经引起了科技界和工业界的高度重视。

事件的侦测和应对是无线传感器执行器网络在监控方面的主要应用，当事件发生后，传感器节点需要将事件区域内侦测和感知到的事件特征数据尽快汇聚到执行器。因此，在WSANs中，如何降低事件信息完整传输到执行器的时延一直是该领域实际应用中的关键问题之一。一方面，根据相关应用的需要，执行器节点对于事件需要能够迅速做出反应；另一方面，由于事件通常具有动态性，不具备一定实时性的系统无法适应这种变化。而在WSANs中，事件信息收集的时延主要来自于传感器到执行器数据传输时延。在目前的WSANs中，传感器节点有限的通讯能力是造成这种传输时延的主要瓶颈。如果采用传统的泛洪方式将每个传感器信息无取向的传输到每个执行器，则会带来数据大量冗余的问题，进而额外增加传输任务，执行器汇聚所有数据的时延问题将会非常突出。

对于多执行器网络，如果采用一种合理的分簇方法将传感器网络进行划分，使得每个执行器只收集网络区域内的某个特定部分，所有执行器收集完毕后再进行协作，事件信息的完整汇聚时延可以大大缩减。因此，分簇方法对于提高网络整体性能意义重大。

经对现有文献检索发现，相关文献如下：

1.Thomas Schreiber等人在2004年第1卷第1期Sensors Magazine MDPI发表的“VoronoiDiagram Based Adaptive K-Means-Type Clustering in Sensor Networks”中提出了基于泰森多边形的分簇方法。所有相邻的传感器节点连线的垂直平分线围成泰森多边形，每个泰森多边形即构成一个簇。然而，这种划分方法不能直接应用到WSAN中，因为它没有考虑到事件区域传感器的分布情况，若事件区域的传感器节点在网络的执行器周围分布不均匀，这种方法不能保证良好的实时性。

2.Heizelman W等人于2000年在Proceedings of the 33rd Annual Hawaii InternationalConference On System Science发表的“Energy-efficient communication protocol forwireless micro sensor Network”提出了LEACH分簇方法。这类算法使网络中传感器节点随机成为簇头，其余节点根据自身通信代价最小原则选择加入哪个簇。这类方法并不包含执行器这样的汇聚节点，并不适用于无线传感器执行器网络；另一方面，这类方法以优化能耗为目标，并没有考虑为各个簇分配平局的负载以减小数据汇集时延。

3.Zhi-Cheng Dai等人在Computer Engineering and Application第43卷第10期上发表的“Clustering algorithm based on wireless sensor and actor networks”，根据事件发生的实际情况，每个感应到事件的传感器节点选择通讯耗能最小的节点为邻居，通过这种方式使事件区域的传感器网络信息汇集到各个执行器节点。但是该方法仅仅考虑了网络能耗，并不考虑数据汇集的时延问题。