[发明专利]基于区域划分的传感网节能离取改进方法

摘要

基于区域划分的传感网节能离取改进算法，主要用于解决无线传感器网络能量有限的问题。通过使用本发明所提出的方法可以提高无线传感器网络的能量利用率，延长网络的生存周期，同时还可以改善离取算法簇头节点分布不均匀的缺陷。本发明是在原有的离取算法的基础上，实现网络能量高效利用、改善离取算法缺陷的算法。本算法在无线传感器网络能量有限的情况下，减少了数据在数据融合和数据传输等阶段的能量消耗，同时优化了簇头节点在网络中的布局，进一步提高了能量的利用率，延长了网络的生存时间。本发明在保证数据采集和数据传输都能正确有效实现的情况下，优化了无线传感器网络的结构，实现了网络中能量的合理高效的利用。

主权项

一种基于区域划分的传感网节能离取改进方法，其特征在于该方法具体包含如下步骤：步骤1）设基站BS在整个传感区域之外，并且位于距离整个传感区域较远的位置，传感器节点将自己的地理位置信息发送给BS，BS收到传感区域内各个传感器节点发来的位置信息后，根据这些信息计算出区域中距离自己最近节点的距离mind和距离自己最远节点的距离maxd；设BS将整个区域划分为2*k+1个部分，其中k>0且为整数，则将maxd‑mind分为2*k+1段，每一段的距离为d=(maxd‑mind)/(2*k+1)，然后以BS为圆心，以minr+d*n为半径画圆，其中n>=1且n<=k，被圈在同一圆内的传感器节点就属于同一部分区域；设k=1，则将整个区域可以划分为三个部分区域，以mind+d为半径画圆，被圆圈起来的区域作为一级簇域GID=1，然后以mind+2*d为半径再画圆，被圈起来的部分减去一级簇域的部分，剩下的那部分作为二级簇域GID=2，最后以mind+3*d为半径再画圆，被圈起来的部分减去二级簇域的部分，剩下的部分区域作为三级簇域GID=3，步骤2）如果传感区域内所有传感器节点初始能量均相等，需要将选举簇头的门限值Thresh设置为各个区域预先设置好的成为簇头的概率值；在二级簇域中成为簇首的概率为P，所以该区域选举成为簇首的门限值Thresh就设置为P；节点产生一个0至1之间的随机数，如果这个数小于P，则该节点就被选为簇头；如果节点初始能量不相等，那么需要将簇头选举和节点能量联系起来，能量相对多的节点成为簇首的概率应该更大；在二级簇域中，应用几何关系，可以得出该簇域内节点的数量，假设该二级簇域内有n个节点，那么该Thresh值就应该设置为E(i)/E(total)*nP，其中E(i)为节点i当前的能量值，E(total)为簇域内所有节点能量的总和，这种情况下成为簇首的概率为P，该簇域内簇头个数的期望值为nP；同样地，节点产生一个0至1之间的随机数，如果这个数小于门限值Thresh，即为E(i)/E(total)*nP，则该节点就被选为簇头；簇头选举出来之后，将簇头的ID记录到自己簇域的全局变量region_center_list中，最终得到的region_center_list就是该簇域内所有簇头节点ID的列表；步骤3）当簇头节点全部选举出来之后，簇头节点发布通告消息告知其他节点自己是新的簇头；同区域内的非簇头节点接收到该消息后，根据自己与簇头节点之间的距离来选择加入哪个簇，当同区域内的非簇头节点选定自己要加入的簇后，向该簇的簇头节点发送加入该簇的消息，然后簇头节点需要根据簇内节点的数目建立TDMA调度，并将该调度发送给各个簇内节点，当簇内节点向簇头节点发送数据时，就必须要按照该时间调度进行数据发送，以避免数据发送时产生冲突；步骤4）组建簇头多跳路径，使簇头融合数据之后将数据以多跳方式发送给BS，减少了数据传输时的能量消耗；在簇头节点选举的时候，已经将选为簇头节点的节点ID记录到了region_center_list列表中，通过簇域的region_center_list列表可以得到下一跳簇域内所有节点的ID列表，该列表就相当于下一跳的候选列表；利用随机自治的方式来确定簇头节点的多跳路径，簇头节点只需从这些候选节点中随机选出一个节点作为自己的下一跳节点，这样就建立了各个簇头节点的多跳路径；步骤5）由于簇头节点担负的任务比非簇头节点重，所以消耗的能量多，这样就容易导致簇头节点能量耗尽而死亡；为了保持网络内节点能量均衡分布，采用轮换簇头节点的方法；采用静态分簇的方法，由于在首轮循环中已经进行了簇的划分，所以以后每轮循环阶段不再重新划分簇，只需要更新簇头节点；除了首轮循环之外，在以后的循环过程中，现任簇头节点根据簇内节点的剩余能量来进行新的簇头节点的选定，选定新的簇头节点之后现任簇头节点向所有簇内节点发布广播消息，通知所有簇内节点当前新的簇头节点的ID，同时，现任簇头节点需将自己设置为非簇头节点，并将自己当前的簇头节点设置为新簇头节点的ID；簇内节点接收到现任簇头节点发来的广播消息后，将广播消息中的新簇头节点的节点ID值与自己的ID进行比较，如果相等，则说明自己在下一轮中将以簇头的身份存在，如果不相等，则将自己的当前簇头节点的ID设置为收到的广播消息中的ID；当前簇头节点的另外一个任务是重新建立簇内节点发送数据的时隙表，即TDMA调度表，并将其广播给簇内节点，簇内成员节点接收到该消息后，计算自己发送数据的时间，在轮到自己发送数据的时候便发送数据，否则进入睡眠状态以节省能量；步骤6）由于新的一轮循环中对簇头节点进行了更新操作，该簇域内相应的region_center_list列表也会随之发生更新，在重新确立了簇头节点之后，新的簇头节点利用随机自治的方法，从更新后的region_center_list列表中随机选择出一个簇头节点作为自己的下一跳节点，从而建立起新的簇头多跳路径，为实现数据的多跳传输提供条件；步骤7）数据多跳传输主要分为两个过程，一是簇内节点与簇头节点之间的数据通信，二是簇头多跳路径中簇头之间的数据通信，以及最后和BS之间的数据通信；在第一个过程中，簇内节点在指定时隙内将采集到的数据发送给簇头节点，在处于其他时隙时，簇内节点就处于休眠状态，并关闭无线电模块，当再次轮到自己发送数据时再开启无线电模块向簇头节点发送数据；簇内节点两次向簇头节点发送数据之间的时间间隔stime=簇内节点个数*节点发送数据所需时间；在第二个过程中，簇头节点接收到所有簇内节点的数据之后，对数据进行融合，然后将融合后的数据发送给自己的下一跳节点，下一跳节点收到来自上一跳的数据之后，便将自己收到的簇内节点发来的数据与上一跳发来的数据融合，数据融合完成之后再发给自己的下一跳节点，以此类推直至下一跳节点为基站BS，最后将融合得到的数据发送给BS，完成数据的传输。