[发明专利]一种新型分簇无线传感器网络寿命最大化的节点部署方法

说明书

技术领域：

本发明涉及无限传感器网络技术领域，具体涉及一种新型分簇无线传感器网络寿命最大化的节点部署方法。 

背景技术

传感器网络作为一种新型的自组织网络具有良好的应用前景，并已在军事侦查，环境监测，目标追踪等应用领域取得较为满意的实用价值。传感器节点通常采用电池供电，且网络部署成本较高，在一次部署后便无法被轻易替换或充电，因而能量极其珍贵[1，2]。但受限于传感器网络的多对一传输模式，传感器网络中靠近sink的节点通常由于承担过重的转发任务而提前死亡，形成所谓的“能量空洞”。在能量空洞产生后，网络外围的数据无法传送到sink，从而导致网络过早死亡[3，4]。分簇传感器网络作为一种层次型网络，通过其数据融合和层次性结构等特性，一定程度上均衡网络中节点的能量消耗并提高了网络寿命[10]。 

但均匀部署的传感器网络由于不同区域承担的数据量差异，必定会导致网络的能耗不均形成能量空洞，从而导致网络提前死亡且能量效率低下[1，4，5]。一种有效的解决方案是在网络中能耗较高的区域多部署一些传感器节点，来尽量延后甚至避免能量空洞的产生。因此，如何在网络部署阶段，合理的散布传感器节点来提高网络寿命及能量利用率成为近年来的研究热点[6，7，8，9]。 

目前在传感器网络的非均匀节点部署策略和分簇传感器网络性 能优化等方面已有大量的研究成果，以期达到更大的能量利用率和网络寿命。我们将相关研究工作总结成以下两个方面。 

1.基于平面WSN的非均匀节点部署策略 

近几年，Xiaobing Wu等人[6]首次系统性的提出了非均匀的节点部署算法以解决传感器网络中的能量空洞问题。他们从理论上分析并证明了非均匀部署策略对减缓传感器网络能量空洞问题的有效性，并指出由于传感器网络多对一的传输特性，全网范围内的能耗均衡是不可能达到的，而部分区域的能耗均衡则可达。 

在此之后，Lian等人[7]通过改变传感器节点的工作模式，使传感器节点在睡眠模式和工作模式轮换工作，提出了一种非均匀部署策略实现了全网的能耗均衡，达到能量利用效率的最大化。相似地，文献[8]也提出一种能量感知的非均匀部署策略来解决传感器网络的能量空洞问题并延长网络的连同时间。他们通过对网络中节点的能量消耗规律分析，基于距离sink的跳数给出了网络中不同区域的节点部署函数。 

然而，也有研究针对不同的网络环境提出不同的节点部署方案。文献[9]为延长网络寿命并均衡网络能耗，提出了基于距离和基于密度的两种部署策略。前者通过改变不同位置节点的发射功率来达到网络的能耗平衡，后者则调整不同区域的节点部署密度，并使不同区域中的节点在工作和睡眠模式中轮换工作。与文献[9]的策略类似，Ferng等人[3]基于corona-based传感器网络模型，证明了全网能耗均衡的可达性，并且针对不同的网络情况，提出了三种非均匀节点部署方案。 

上述的这些非均匀节点部署方案均能有效的解决平面传感器网 络中遇到的能量空洞问题。然而，目前还未见相关的基于分簇网络的非均匀节占部署策略。由于分簇网络特有的结构与能耗特性，已有的平面网络节点部署策略并不能很好的适用于分簇网络。而分簇作为一种高效的数据收集结构，也在众多研究和应用中证明其有效性[10]，因此，对分簇网络节点部署的研究具有非常好的意义。 

2.分簇传感器网络优化研究 

分簇网络的效率主要体现无线传感器网络节点感知的数据具有相关性，因而，当簇头节点收集到簇内的数据后，可以经过数据融合再经过簇头节点的转发传送给sink，因而大大减少数据的传送量，从而提高了网络寿命。但分簇网络却存在较为复杂的建簇，维护簇的过程，这些过程都需要额外的系统能量消耗。因而为减少维护簇结构所带来的额外能量消耗，已经有不少研究分簇传感器网络优化方面的研究。 

Yang等人[13]提出了一种高扩展性的网络结构PMRC，并基于此结构提出了相应的成簇算法。在此成簇算法中，每个簇将会选出两个簇头进行轮换工作用以提高每个簇的工作效率。他们的仿真结果证明PMRC结构和双簇头轮换策略能有效的提高网络寿命。Ferng等人[14]提出了一种静态粗和动态簇结合的路由策略有效的均衡了网络中的能量消耗。他们通过在网络中预先撒布虚拟点来均衡簇的大小，然后基于节点的剩余能量和距离最近虚拟点的距离来选取簇头节点。同时，他们还提出了一种多跳的路由发现算法进一步提高了能量效率。类似的研究还可参见文献[10-12]。