[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

摘要

本发明涉及无线传感网的组网技术，旨在提供一种基于无线传感网的能量有效性多级环形组网的方法。无线传感网包括基站和节点，且分为四层架构：应用层、网络层、媒体接入控制(MAC)层和物理层，该多级环形组网方法包括以下步骤：邻居表的建立、确定初始簇头集、节点权重值的计算式、第一环组网、剩余环组网和数据传输阶段。本发明通过采用多层次分级组网，并合理地计算节点的权重值等一系列操作，选出最优簇头，均衡了网络中各节点的能耗，最终降低了网络总能耗，延长了网络的生命周期。

主权项

一种基于无线传感网的能量有效性多级环形组网的方法，该无线传感网包括基站和节点，且分为四层架构：应用层、网络层、媒体接入控制(MAC)层和物理层，其特征在于，所述多级环形组网方法的具体节点组网步骤如下：（1）邻居表的建立：初始时，所有节点都处于未组网的状态，当组网过程开始时，每个节点使用簇内通信发射功率向周围广播“hello”消息，“hello”消息中包括当前节点的ID、剩余能量和所处环数信息；当节点收到其他节点的“hello”消息时，可根据接收功率计算两节点之间的距离，同时把邻居节点的ID、所处环数、距离和剩余能量等信息添加进邻居表；（2）确定初始簇头集：在每一轮开始时，首先由基站整合网络中各环所有存活节点的剩余能量计算平均值，然后基站以最大功率广播该信息，节点收到后比较自己剩余能量确定是否属于初选簇头集，若大于软阀值，则参与簇头竞争，软阀值的计算公式为： F soft = λ R Σ i = 1 R E i , residual 式中：Fsoft为确定初始簇头集的软阈值， Ei,residual为节点i的剩余能量，R为本环节点总数，λ为调节系数，取值在0到1之间；（3）节点权重值的计算式： C = arg min i ∈ CH inner - ring { α ( 1 - E ) γ ( 1 - D intra ) + βD inter , i + C i } 其中： E = E residual E max ； D intra = Σ j = 1 N ( d j r intra ) 2 N   (j∈neighbor‑list)  ； D inter , i = ( d i r inter ) 2     (i∈CHinner‑ring) ；式中，E为节点的剩余能量因素，Dintra为节点的簇内通信代价因素，Dinter,i为节点与内邻环簇头i的簇间通信代价因素，Ci则为中继簇头的权重因素，其中CHinner‑ring表 示节点簇间通信覆盖范围内的所有内邻环簇头；α、β和γ分别为前三个因素的调节系数，需满足下式：α+β=1,α＞0,β＞0,γ≥0 ；式中，Eresidual为节点的当前剩余能量，Emax为节点的初始能量值；式中，dj为邻居表中的节点与当前节点的距离，rintra为节点的簇内通信最大覆盖半径，N为邻居表中邻居节点的个数；式中，di为节点与中继簇头的距离，rinter为节点簇间通信最大覆盖半径；（4）第一环组网：第一环即最靠近基站的一环，节点在确定自己属于初选簇头集后，进行权重计算；由于第一环的簇头直接一跳连接至基站，因此在计算权重计算时无中继簇头权重值这一项，且簇间通信代价计算时节点与中继簇头的距离为节点与基站的距离；在第一环的节点计算完本节点的权重值后，与广播“hello”消息类似，将该权重值以簇内通信发射功率广播至邻居节点，邻居节点收到该消息后将节点的权重值添加到邻居表中；接下来节点对邻居表中的节点按照权重值进行排序，在每一环的选簇过程中又分为若干子阶段；在第一个子阶段，如果本节点的权重值在邻居表中最小，那么本节点成为备选簇头，进入随机退避阶段，退避时根据其权重值的大小选择合适的竞争窗大小；如果在退避结束时该节点没有收到其余节点宣布成为簇头的消息，那么该节点成为最终簇头，并广播消息宣布自己成为簇头；在第n个子阶段，未组网的节点首先对其邻居表进行重新排序，将邻居表中已成为簇头或成员的节点删去，对仍未组网的节点按照权重值进行排序，如果本节点的权重值在邻居表中最小，则本节点成为备选簇头，接下来的操作与第一个子阶段类似；在第一环所有子阶段结束后，第一环的节点或者入簇或者休眠等待；（5）剩余环组网：第二环的组网过程基本与第一环类似，不同的是第二环组网时需考虑中继簇头的权重值，并在成簇时选好传输数据的路由路径，即确定下一跳中继节点，剩余环的组网与第二环的组网过程相同；（6）数据传输阶段：根据已有的路由路径，多跳将数据传输至基站。