[发明专利]一种无线传感器网络层次路由协议的组簇方法

说明书

技术领域

本发明涉及WSNs(Wireless Sensor Networks，无线传感器网络)技术领域，是一种解决无线传感器网络层次路由协议簇的建立阶段能耗大、效率低，网络生存周期较短的组簇方法。

背景技术

路由协议是WSNs研究中的一个重要领域，其算法设计必须考虑WSNs自身多跳、自组织、能源局限性、环境相关等主要特点。经过大量研究表明，层次路由协议引入组簇的概念，能更有效的保证WSNs系统的扩展性和工作效率。

层次路由的主要研究点在于组簇和传输。层次路由协议每进行一轮都要在全网按照一定的规则进行一次簇的重建。有的层次路由协议的组簇机制比较复杂，在选取簇首时，不仅考虑节点的能量，还要考虑节点与周围邻居节点能量的比较等因素，需要和邻居节点大量的交换分组信息。这样虽然可以保证簇首选举的合理性，但却大大增加了组簇过程中节点的计算量。选簇的规则越复杂，节点的计算量越大，能量的开销代价就越大。考虑到以下情况，轮循的方式就显出不足：

（1）当全网数据传输完毕后，有可能大部分簇的工作状态良好，其中簇首消耗的能源并不多。这时如果进入下一轮的簇首的重新选举，不仅破坏了良好的网络结构，更是对系统当前工作状态的一种浪费。在多跳传输的网络系统中，每一轮的传输阶段都要搭建复杂的传输路径。所以再下一轮除了簇的重建，距基站较远的簇首，还要重新搭建路由。这也造成了能量的浪费。

（2）大部分应用环境需要无线传感器网络连续、稳定、实时的回传数据，以满足用户的需求。如果簇的重建时序过长，而又采用了轮循的工作方式，则在每轮开始阶段，网络系统在进行簇的重组，和路由搭建，这便中断了数据往基站的回传。这给实时监控带来不便。

层次路由协议的网络结构示意图如图1所示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的上述缺陷，摒弃了轮循的工作方式，设计了一种无线传感器网络路由协议成簇方法-独立重建簇（IRC，independence reconstruction of cluster）来解决大规模无线传感器网络中，全网数据传输完成后，需要重新选举簇首，而导致的网络中节点的能耗消耗过大的问题。在这个阶段有的簇首能量还足够大，还能继续担任，如果重新选举簇头，这无疑会增加系统的开销，影响网络的生存周期。

本发明解决上述问题的技术方法是：在网络初始化时由基站根据节点的地理位置信息对整个传感器网络进行合理分层和分簇，然后对所有节点设置层次号（Area）和簇号（CNum）进行标识。这样保证簇与簇之间保持相互独立，在某个簇轮换的时候不影响其它状态良好簇的正常工作，也不会造成整个网络结构的重新拓扑。由于网络的初始化是由基站统一配置，所以能保证簇在采集区域的均匀分布，并根据每个层次的宽度和簇的大小，建立求解最佳簇首数量的方程，保证簇的合理分布。同时，引入了辅助节点，负责侦听簇首的工作状况，一旦发现簇首节点突然死亡，则宣布自己为簇首节点，并代替簇首发布重建信息。在数据传输过程中，利用层次号标识保证数据传输路径都统一由高层到底层依次指向基站，不会出现回路，绕路，可以有效提高数据传输的效率。簇内节点以单跳的方式与簇首节点进行通信，簇首节点以多跳的方式与基站进行通信。

方法的具体步骤如下：

1）网络初始化

a、划分层次

在WSNs系统工作前，首先以基站sink为圆心，以nR为半径将监测区域分为n层，其中R为临界值，n为大于零的正整数；

b、确定簇域

当传感器节点被随机铺设到监测区域后，通过GPS获取每个节点的坐标信息，然后将传感器节点的坐标和能量发送给基站，由基站根据监测区域的大小和传感器节点的数量在全网进行层次和簇的划分，建立层次号和簇号；然后确定簇域，簇域是基站在传感器网络初始化分簇时规定的一个簇的大小、节点个数和分布位置；然后在每个簇中选取能量最大，且距离最近的两个节点作为簇首节点和辅助节点，如果节点的初始能量都相同，则随机选取两个距离最近的节点；随后基站把这些配置信息通过全网广播发送给每个节点；由于第一层次距基站较近，基站位于第1层的中心。所以在第1层中没有簇首，第1层中中所有普通节点都与基站进行直接通信；

簇域在以后网络运中不会改变，簇的独立重建在单个簇域中进行，只更换簇首和辅助节点，而不会改变簇域；

c、确定每层簇数

 簇域为扇形，其中第i层的簇域的数量                                                为：