[发明专利]一种无线传感器网络中的节点能耗均衡方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中的节点能耗均衡方法。

背景技术

无线传感器网络低功耗、低成本、自组织与分布式等特点使其成为信息获取的重要技术，然而资源受限使得对无线传感器网络的应用面临着巨大的挑战。减少能量消耗、延长网络生命周期是无线传感器网络领域的重要研究方向。拓扑控制方法作为无线传感器网络中减少能量消耗、延长网络生命周期的重要技术，近年来成为了无线传感器网络领域研究的热点与难点之一。

现有的拓扑控制方法主要集中于节点功率控制和分簇的层次型拓扑控制两个方面。低能量自适应分群分层(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)是比较经典的层次型拓扑方法，由于LEACH是随机等概率的选择簇头，没有考虑节点的剩余能量，簇头数量和质量都得不到保证。针对簇头能耗过大的问题，VLEACH(vice-LEACH)在簇头的选择过程中设置了候选簇头以均衡全网的能量消耗，但该算法未考虑全网的能量分布情况。EB-LEACH(energy balance LEACH)算法在簇头的选择过程中增加了能量阈值这一约束条件，但该算法只能平衡簇头地区的能量分布，缺乏对全网能量消耗的平衡。在能量高效簇方案(energy efficient cluster scheme，EECS)中，节点在选择簇头时，考虑了簇头到基站距离的远近，构造出相应的簇。通过对网络中最佳簇头数目的考虑，有人提出了能量有效的簇头选择方法，但该方法忽略了稳定阶段的能量消耗。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题就是提供一种无线传感器网络中的节点能耗均衡方法，它能在簇头选举上综合考虑节点的剩余能量，在簇的形成中考虑簇的规模，稳定传输阶段的簇头与sink节点能采用多跳通信，能使各节点能耗均衡，有效延长网络的寿命。

为了解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：

步骤1，获得网络中每个节点到基站的距离：基站根据网络规模算得最优跳数和最优簇数目，然后向全网广播包括跳数消息、簇数目消息和候选簇头概率p的基站消息；网络中所有节点接收基站的消息，根据收到的广播消息的接收信号强度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator）计算自己到基站的距离d_{to_sink}；

步骤2，确定本轮循环的能量阈值：网络中所有节点以概率p当选候选簇头，未当选的节点关闭无线通信模块，进入睡眠状态，直到簇头选举结束，候选簇头计算本轮循环的能量阈值；

步骤3，簇的建立：候选簇头比较本身剩余能量与能量阈值的大小，若自己的剩余能量大于能量阈值，则成为簇头，最终簇头广播自己是簇头并唤醒睡眠节点的消息；非簇头节点根据cost(j,i)加入不同的簇；

步骤4，稳定传输：簇内节点以单跳方式把数据发送到簇头，簇头进行数据融合，然后查询路由表，采用单、多跳相结合的方式将数据转发到基站。

由于采用了上述技术方案，在步骤1的簇形成过程中考虑了簇的规模，防止簇头节点因为簇的规模过大而过早死亡；在步骤2和步骤3的簇头选举中，考虑了节点的剩余能量，保证每轮选举最佳节点当选簇头；在步骤4的数据稳定传输阶段，簇头与Sink节点间的通信采用多跳路由方式，平衡网络负载。所以本发明具有如下的优点：能使各节点能耗均衡，有效延长网络的寿命。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为传感器节点的能量消耗模型；

图2为本发明的多跳转发网络模型图；

图3为数据传输能量消耗与传输跳数关系图；

图4为网络整体剩余能量与网络运行轮数关系图；

图5为节点剩余能量的标准差随网络运行轮数变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真实验对本发明作进一步说明：

如图1所示，传感器节点发送kbit的数据包到距离为d的另一个传感器节点，所消耗的能量由发射电路损耗和功率放大损耗两部分组成，用E_Tx(k,d)表示：