[发明专利]一种基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，特别是涉及一种无线传感器网络的分簇方法。

背景技术

无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，是当前国内外研究的热点，有着广阔的应用前景。在无线传感器网络中，分布在监测环境中的传感器节点的能量是有限的，因此，无线传感器网络路由协议设计的首要目标是在保证正常数据采集的前提下，通过合理的路由设计尽可能降低节点的能量消耗和延长传感器网络的寿命。无线传感器网络的路由协议按网络逻辑结构可以分为平面路由协议和分层路由协议。分层路由协议将网络划分为不同的簇，每个簇由簇首节点和多个成员节点组成。其中成员节点只需与自己的簇首通信，而簇首节点在完成监测任务的同时还要负责接收簇内成员节点发送的数据、完成数据融合并通过单跳或多跳的方式将数据发送至基站，除此之外，还负责转发其他簇首的数据，因此簇首节点能量消耗较大。

在传统的分层路由协议中，以经典的LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议为例，一般采用周期性的簇首选择方法，让网络中的节点轮流担任簇首，进而可以平衡网络中节点的能耗。相对于一般的平面路由和静态分层路由协议，LEACH协议可以延长网络寿命15%左右。但是LEACH协议也存在一些问题：（1）簇首的选择无论是在能量上还是位置上都是随机的，也就是说LEACH协议的簇首选择方法没有考虑节点的剩余能量和位置信息，使得剩余能量较低的节点很有可能被选为簇首，从而导致该节点能量快速耗尽而死亡。同时簇首分布位置也是随机的，实验证明，无论簇首分布过于集中还是分散，都会导致簇内成员节点的能耗以及簇首与基站通信的能耗大幅增加；（2）LEACH协议中每轮产生的簇首个数是不确定的，实验表明，簇首个数存在较大的波动。因此，当产生的簇首个数过少时，会极大地增加簇首的负担，使其能量迅速耗尽而死亡。这些问题的存在，造成了传感器网络簇首分布不合理和节点能耗不均衡，影响了网络寿命的进一步提高。

博弈论（Game Theory）又称“对策论”，是一门以数学为基础、研究博弈中参与者为获得最大利益应如何做出决策的学科。博弈论在经济学、政治学中得到了广泛的应用，也成功应用到无线通信领域中的异构无线网络的切换决策、接纳控制以及网络资源分配等方面。作为一种特殊的拍卖博弈模型，一级密封价格拍卖模型要求所有竞拍者的报价仅限于竞拍者本人和拍卖者知晓，而且只能报一次价，报价最高的竞拍者中标（在公共工程拍卖中，是以报价最低的竞拍者中标）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何能够创新地进一步提高无线传感器网络簇首分布的合理性和节点能量消耗的均衡性，进而有效延长网络的生存时间。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法，其技术方案包括以下各步骤：

步骤1：基站作为一级密封价格拍卖模型中的拍卖方广播拍卖消息；

步骤2：节点作为一级密封价格拍卖模型中的竞拍者将节点标号、节点位置、剩余能量和竞拍区域发送给基站；

步骤3：基站对参加竞拍的节点进行资格审查；

步骤4：基站对通过资格审查的竞拍节点依据报价策略计算其最优报价，同时确定各个竞拍区域的簇首节点；

步骤5：基站确定空白区域中的簇首节点；

步骤6：基站广播簇首节点；

步骤7：非簇首节点作为成员节点选择距离最近的簇首节点加入该簇，完成簇的组建；

步骤8：基站采用CNP（Cheapest Neighbor Path）算法计算并广播每个簇首节点下一跳的信息； 

步骤9：簇首节点采用多跳方式将数据发送至基站。

与LEACH协议比较，本发明具有以下优点：

（1）本发明在进行簇首选择时，充分考虑了节点的剩余能量、位置信息和竞拍区域，实现了簇首在位置和能量上的合理分布；

（2）本发明采用一级密封价格拍卖模型、依据最优报价策略来确定各个竞拍区域簇首的方法，解决了LEACH协议中簇首个数存在较大波动、节点能量消耗不均衡的缺点，有效地延长了网络的生存时间。

附图说明

图1为本发明的基于一级密封价格拍卖的无线传感器网络分簇方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如附图1所示，假设所有节点完全相同并且能量有限，节点本身具有位置感知功能且在部署完成后不再移动，基站是固定的且没有能量限制。一级密封价格拍卖模型各要素定义如下： 

拍卖者：基站；