[发明专利]基于能耗均衡的无线传感器网络分簇方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络分簇方法和基于备份节点的簇内拓扑控制算法，主要目的是通过控制节点跳数、合理划分簇的区域范围以及设定优先级等方法最终实现能耗均衡。

背景技术

无线传感器网络是一种由分散的传感器节点以自组织方式构成的网络。通常情况下无线传感器网络中的节点都是随机散布的，它们的组织结构相似，网络中地位没太大差别，也没有预先指定的特定功能，常常部署于无人管理、条件较差的环境当中，节点使用电池供电，电量耗尽后不能人工补充和更换。能量受限是无线传感器网络中最棘手的问题。如要延长网络的寿命就要尽量降低工作节点的能量消耗，减小节点的有效传输距离，并且减少每个节点的覆盖面积，同时使用多跳中继的方法来传输数据。目前无线传感器网络的解决方式在于设计拓扑结构和路由协议。

LEACH协议是无线传感器网络协议中一种采用分簇方法来实现能量均衡的路由协议。LEACH协议在选举簇头节点阶段采用轮询方法。通过轮次变化重新选择簇头节点，把簇头较高的能量负载平均分摊到网络中所有节点，从而实现能耗均衡。每一轮分为两个阶段，建立阶段随机产生簇头,能量消耗较小，稳定阶段簇头进行数据融合，并将数据发送给sink节点，能量消耗较大。

LEACH协议中存在一些问题：

1.协议中虽然考虑了能耗均衡，但是没有考虑节点的初始能量和剩余能量，既然所有节点都要承受能量分配，某些初始能量小或剩余能量小的节点会因此过早死亡。

2.地理环境中节点不是均匀分配，不能合理的规划簇中簇头节点的密集程度以及簇中普通节点的数量，这将造成网络的不完全连通。簇头密集处会产生冗余，簇头稀疏处会造成负担过大，节点无必要的能量消耗，从而影响网络寿命。

传统的树状拓扑下，任意节点到汇聚节点的路径都是唯一的，当中间层的某节点失效时，以此节点为中继节点的通信路径就会全部失效。若假设每个节点与汇聚节点在单位时间内的通信次数是基本相同的，可以简单的证明：无论在什么拓扑结构中，与汇聚节点距离更近的节点必然承担更多的数据收发任务。已知在无线传感器网络中，节点中射频模块是主要的消耗能量的模块，进而可以推断出：在这种网络中，距离汇聚近的节点会更快的消耗能量，会更快的失效，从而导致造成全网失效。

目前的协议中，例如SAR路由协议是保证QoS的多路径路由协议。它以汇聚节点的邻居节点为树根依次建立树状拓扑结构。每一个树都会尽可能向剩余能量较多的邻节点延伸。树形拓扑建立完成后，汇聚节点周围的邻居节点都是树状拓扑的根节点，所以形成的多路径汇聚节点的邻居节点是不相交的，有效的减少了汇聚节点的邻居节点能量消耗过快的问题。但是SAR协议在节点数目较大的时候节点需要大量的冗余路由信息建立路由，在维护路由表及每个节点的状态表时开销会很大。

发明内容

本发明针对传统无线传感器网络的拓扑控制以及路由算法中能量分配不均衡、能量消耗不合理的现象提供了一种无线传感器网络分簇方法和基于备份节点的簇内拓扑控制算法，主要目的是要通过控制节点跳数、合理划分簇的区域范围以及设定优先级等方法最终达到能耗均衡。

本发明的技术方案为：

无线传感器网络中分布多个节点，首先要将节点划分为多个簇，每个簇中有一个簇头，多个簇中节点。每个簇都是独立的，簇中节点通过多跳方式将数据发送给簇头节点，簇头节点对数据进行融合和处理。簇与簇之间通过多个簇头进行数据转发，最终到达汇聚节点。

簇的划分方法为：设定一个簇头能量阈值，高于能量阈值的节点被直接选举为簇头节点，以簇头节点为中心，每个簇头节点在相邻的簇头节点中选取与自己最近的簇头节点的中垂线为半径形成多个相切的圆,每个圆的范围就是簇头节点所在簇的范围。考虑到节点每一跳消耗的能量问题，本发明每个簇以簇头为中心，划分出多个距离半径等值的同心圆，将相邻同心圆距离作为节点跳数，形成具有S个半径相同的环带（S∈N）的由内向外逐级递减的能量消耗值分布模式。此分布模式，以簇头为中心，以δ为角幅度划分簇，形成多个扇形区域。簇中节点是以扇形区域为范围，多跳的方式与簇头通信。要求S_i环带内的节点只能选择在同一扇形区域内S_i-1环带内的节点转发数据。