[发明专利]一种基于扇形分簇的无线传感器网络路由协议的通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于扇形分簇的无线传感器网络路由协议算法，具体涉及一种汇聚点在中心位置的无线传感器网络中各节点能量均衡的相关原理和方法。

背景技术

近年来无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)随着传感器技术和无线通信技术的发展应用越来越广泛，特别是对于一些自然环境比较恶劣的区域进行信息的采集。无线传感器网络是由分布在被监测环境中的微型传感器节点采集环境信息，通过无线方式组网传输数据给汇聚点进行处理的一种监控型网络。传感器节点一般是由能量有限的电池供电且部署后不易再次充电，这就导致网络具有一定的生存时间，如何在有限的能量下提高网络生存时间是网络协议研究的一个热点问题。针对此种状况，本发明提出了一种基于扇形非均匀分簇的路由协议方法，可以有效的平衡各节点能量消耗。

无线传感器网络中的分簇传输协议，是把整个传感器监控区域分成多个小区域，每个小区域内选出一个节点作为区域簇首，在每个数据采集的周期开始，部分节点被选择成为簇首，在数据传输阶段，簇首将融合后的数据传输给汇聚点，为了均衡的消耗能量，簇首在传感器节点之间定期轮换，以平衡各节点之间的能量消耗。由于无线传感器网络的生命周期受制于的传感器节点有限的能量资源，每个节点能量消耗与需要传输的数据量和传输距离有很大关系，为了在有限的能量下尽可能延长网络的生命周期，可以从两方面减少能量消耗，一是减少需要传输的数据；二是缩短数据传输距离。

簇首与汇聚点之间的通信可以被组织成单跳和多跳两种方式，在单跳通信，每个簇首节点可以直接发送数据到达汇聚点，而在多跳通信中，簇首节点具有有限传输范围，以其他节点为中继节点，数据通过多次中继传输到达汇聚点。在单跳和多跳模式下，都存在一个不可回避的问题，即不同的节点之间的不平衡能量耗散的问题，对于单跳通信中，距离汇聚点最远的簇消耗能量最快，而在多跳通信，最靠近基站的节点都背负着沉重的中继业务量，这都会导致一些节点过早失去能量死亡，使网络失去部分感知能力。

在相关文献中已经证明，簇首和汇聚点之间通信采用多跳方式更有利于节省能量，即通过簇首组成一个骨干网络，通过簇首间的多跳通信发送数据到汇聚点，相当于缩短数据传输的距离。在同构的分簇多跳网络中，所有节点都具有相同的硬件和处理能力，簇头的选择通常是周期性地在节点之间竞选产生以平衡负载。虽然轮换簇头的作用确保了传感器更均匀地消耗能量，但上述所提到的近汇聚点传感器节点负担过重的问题不能完全避免。

发明内容

本发明是要解决近汇聚点传感器节点负担过重，由能量有限的电池供电且部署后不易再次充电，导致网络的生命周期短的问题，而提供了一种基于扇形分簇的无线传感器网络路由协议的通信方法。

基于扇形分簇的无线传感器网络路由协议的通信方法具体步骤为：

步骤一：监控区域分簇区：

整个监控区域分成m个扇形区域，n个环形层，靠近汇聚点的第一层不形成簇，总计有m*(n-1)个分簇区；

步骤二：网络建立阶段中继点选择：

汇聚点首先向d′半径范围内的能量瓶颈区域的节点发送竞选条件，满足能量条件的节点发送请求给汇聚点，汇聚点根据划分的m个扇形区域的每个区域中选择出一个中继节点，首次选择能量值最高的节点，如果多个相同能量节点，随机选出一个作为中继点；

步骤三：网络建立阶段簇首选择：

汇聚点S向第二层内节点广播其所在簇的中继节点并发出竞选条件，即能量阀值ET2_i，符合条件的传感器节点上报位置和能量值给所对应的中继节点，中继点在对应扇区第二层簇区内选择距离自身最近的节点作为簇首节点H2_i，并汇报给汇聚点；汇聚点向第三层内节点广播第二层簇首节点选择结果，并发出第三层内选择簇首的竞选条件，符合条件的第三层内节点向第二层簇首上报能量值，由第二层簇首选择出符合条件的距离自己最近的第三层节点作为第三层中的簇首H3_i，以此类推选出各层中每个簇的簇首节点；

步骤四：时隙分配：

汇聚点为所有中继点、汇聚点以及瓶颈区内的节点分配通信时隙，中继点和簇首节点为与其通信的节点分配时隙，采用任务循环的方式进行通信，节点在不需要通信时进入休眠状态；

步骤五：网络稳定阶段中继点卸任与继任：