[发明专利]一种基于无线传感网的能量有效性多级环形组网的方法

说明书

技术领域

本发明是关于无线传感网的组网技术，特别涉及一种基于无线传感网的能量有效性多级环形组网的方法。

背景技术

 无线传感网是目前的一个研究热点，其由多个随机分布的带有传感器、数据处理以及通信功能的节点通过自组织的方式所构成。根据传感器类型的不同，无线传感网能够采集湿度、噪声、温度、光强等各种信息。然后通过对这些信息进行分析、筛选和融合，形成有效的可传输的数据包，最后通过通信模块以一定的通信协议将数据发送至基站。使用无线传感网可以实现远程采集数据的能力，避免了因人工收集所带来的风险和麻烦。无线传感网因具有上述优点而有着非常广阔的应用市场，如环境监测、机器人探测、医疗系统和军事目标的监测等。

无线传感网有着如下特点：（1）大规模、高密度的空间分布；（2）能量受限：传感网节点一般采用电池供电，而根据其应用的特性，节点一般分布在环境恶劣、人烟稀少的地区，所以其电池的更换或充电尤为不易。因此需要尽可能的减小网络功耗、增加网络寿命；（3）网络的自识别，防止未授权用户的侵入。由于其能量受限，因此目前在无线传感网的研究工作中，大部分工作都是针对减少节点能耗和延长网络生存周期这两个目标，这也是无线传感网络与其他网络的不同之处。

传统的无线传感网在组网时，通过周期性的更换簇头来均衡网络中各节点的能耗，但是在选取簇头时，现有的协议多采用随机选簇的方式，且网络中簇间通信为单跳传输，在网络范围较大时传输消耗能量较多。

LEACH协议是一个自组织自适应成簇协议，它使得整个网络节点的能量消耗较为平均，而不是突出在某个节点上。

LEACH协议将更换簇头所需的一个周期称为轮，每一轮分为两部分：组网阶段和稳定阶段。在组网阶段，首先节点需要计算是否选取自己为簇头。每个节点会在0和1之间产生一个随机数，如果该随机数比门限值T(n)小，则该节点选取自己成为簇头，否则不选。T(n)的定义如下：

T(n)=P1-P*(rmod1P)ifn∈G0otherwise]]>

其中P表示设定的簇头百分比，r表示当前的轮数，G表示在前1/P轮中没有成为过簇头的节点。在初始轮(r=0),每个节点以P的概率成为簇头，然后在接下来的1/P轮中这些节点将不会成为簇头。以此类推，每个节点在1/P轮中都会担当一次簇头。簇头选出后其余节点会根据与簇头的距离来选择加入最近的簇头。

在稳定阶段，选出的簇头负责收集本簇内的节点所采集到的数据，然后将收集到的数据进行相关处理后一跳发送至基站。为了避免不同的簇间产生干扰，每个簇内节点通信时采用不同的CDMA编码。

当网络覆盖范围较大时，簇头与基站之间的一跳传输会造成能量的极大浪费，为了改善这一点，一些研究者改善了LEACH协议，在数据传输时选取距离最近的其它簇头作为中继来传输数据，降低了由于距离基站太远导致的能量消耗。

LEACH协议开创性地提出了周期性的更换簇头方法，平均分摊了节点的能耗，延长了网络的生命周期。但是其选取簇头时采用轮流选取的方式，即每个节点依次成为簇头。这样，如果某个节点的通信环境很差，距离基站也很远，按理不适合担当簇头，而根据LEACH协议该节点在某个循环中也可能成为簇头；反之，如果某个节点通信环境很好，距基站较近，且能量充足，按理适合多次担当簇头，而根据LEACH协议该节点在一轮中只能担当一次簇头。由此，LEACH协议选出的簇头并非最优。同时，LEACH协议假定所有节点都可以一跳到达基站，这种假设在大范围网络覆盖场景中是不现实的。