[发明专利]无线传感器网络中分布式多跳节能通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络通信技术，具体是一种无线传感器网络中分布式多跳节能通信方法。

背景技术

在当今信息技术飞速发展的时代，互联网为人们提供了快捷的通信平台，极大地方便了人们的信息交流，无线传感器网络技术的产生将彻底改变人类自古以来仅仅靠自身的触觉、视觉、嗅觉来感知信息的现状，极大的提高人类获取信息的准确性和灵敏度。作为信息时代的一项变革性的技术，无线传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实、可靠的信息，真正实现“无处不在的计算”理念。无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，它的出现引起了全世界范围的广泛关注。美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪高技术领域中的四大支柱型产业之一，《技术评论》杂志也将其列为未来改变世界的10大新兴技术之首。可以预言，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大地推动力。

目前，已经存在多种关于无线传感器网络分簇算法的研究。LEACH作为最早被提出的动态分簇算法，在一个周期内，让少量节点成为簇头，非簇头节点向簇头节点以TDMA的方式发送数据，簇头节点融合来自非簇头节点的数据之后，以单跳的方式和基站直接通信。在LEACH研究的基础上，提出了一种集中式的簇头选择和簇的生成算法LEACH-C，由基站根据所有节点的位置和能量进行簇头选择，然而该算法需要为每个节点安装GPS以获得节点的位置信息，这样就额外的增加了传感器节点的造价。HEED算法选择簇头依据主次两个参数，主参数依赖于剩余能量，用于随机地选取初始簇头集合，次参数依赖于簇内通信代价，竞争产生最终的簇头，然而HEED的簇生成算法需要在簇半径内进行多次消息迭代，由此要花费很大的通信开销。

随着研究的深入，人们又相继提出了基于能量预测的分簇算法(CHEP)和分布式能量高效的自适应分簇算法(DEEAC)。目的是使能量较高的节点有更大的机率成为簇头，但是它们都有各自的缺陷，比如DEEAC需要每个节点来估算当前网络的总能耗，而基于能量预测的分簇算法(CHEP)要得到能量预测参数要不断的计算节点的状态转换概率矩阵。同时，由于仍然采用随机数机制选择簇头，每轮产生的簇头数目依然不稳定，而且算法都没考虑到簇头位置均匀分布的问题。能量效率的非均匀成簇算法(EEUC)采用了候选簇头在局部竞争的方法，有效地控制了算法所产生的簇头数目，却增加了算法自身的开销。在文献“无线传感器网络中基于自适应定时器策略的分簇算法”(曹涌涛，何晨，蒋铃鸽.无线传感器网络中基于自适应定时器策略的分簇算法[J].电子学报，2007，35(9)：1719-1723)和“A Time-based Cluster-Head Selection Algorithm for LEACH”(Hu Junping，Jin Yuhui，Dou Liang.A Time-based Cluster-Head Selection Algorithm for LEACH[C].13th IEEE Symposium on Computers and Communications，2008：1172-1176)都提到使用定时器机制来选择簇头，通过给能量较大的节点设置较小的等待时间，从而使剩余能量较多的节点有较大的概率成为簇头。然而，文献“无线传感器网络中基于自适应定时器策略的分簇算法”中并未对每轮产生的簇头数目进行研究，若产生簇头数目不稳定，簇头能量消耗过大，进而影响网络整体的性能。文献“A Time-based Cluster-Head Selection Algorithm for LEACH”中提出的TB-LEACH虽然产生了固定的簇头数目，但簇头的位置分布并不均匀，这样每个簇头管理的成员节点个数不均匀，导致簇与簇之间能量消耗不均匀，网络生存时间就得不到有效延长，而且没有考虑当网络运行初期节点能量相同的情况下竞选簇头发生的冲突问题。