[发明专利]一种可扩展的无线传感器网络分簇方法

摘要

本发明的目的是减少网络重建所带来的能耗问题，提供一种可扩展的无线传感器网络分簇方法。首先，在候选簇首的选举过程中，考虑到网络中节点的剩余能量；其次，在簇首的选举过程中，考虑到候选节点的剩余能量、候选簇首的邻居节点数、各节点到候选簇首的价值度等因素，有利于延长网络的生命周期。另外，当簇内的平均能量大于某个阈值时，不需要再全网范围内进行重新分簇，只需要在簇内选举出新的簇首即可。最后，当有新的节点加入网络时，引入入网许可值，通过对节点的位置分布、簇头节点的能量、以及相应簇的负载值的考虑，选择节点所要加入的簇。

主权项

一种可扩展的无线传感器网络分簇方法，其特征在于：该方法包括：网络分簇、簇内簇首选举、网络扩展三个步骤：A)网络分簇：1)候选簇首的选举网络中的每个节点随机产生一个0到1的随机数，与节点的阈值T(i)比较，若该随机数小于阈值，则该节点被选为候选簇首，令被选为候选簇首的节点个数为m，其中T(i)=p1-p(rmod1p)EiE0]]>其中，p为节点当选为簇首的概率，r表示当前节点Ni连续未当选簇首的轮数，r越大该节点被选为簇首的几率也就越大，r为0则表示该节点上轮刚刚当选过簇首。Ei为节点Ni当前剩余能量，E0为节点的初始能量。节点的剩余能量越大，T(n)的取值越大，当选为簇首的概率也就越大；2)簇首选举与成员节点的加入候选簇首的选举完成后，由节点根据候选簇首的剩余能量ECH_Can(j)、候选簇首的邻居节点数NeiCH_Can(j)与网络中所有候选簇首的邻居节点数平均值Neiaver之比、以及各节点到候选簇首的价值度dNi_chj_BS2来选择簇首；其中，Neiaver=1mΣi=1mNeiCH_Can(j)]]>dNi_chj_BS2＝dNi_chj2+dChj_BS2其中，dNi_chj2为节点Ni到簇首chj的距离的平方值，dChj_BS2为簇首chj到基站BS的距离的平方；由于节点Ni采集的数据由簇首节点转发至BS，所以dNi_chj_BS2取值越小，说明由簇首chj转发数据所消耗的总能量越小；节点Ni选出dNi_chj_BS2的值最小的三个节点作为自己的候选簇首，然后选出Valuechj取值最大的簇首作为最终簇首，节点Ni直接加入该簇首所在的簇。Valuechj=ECH_Can(j)Echaver+NeiCH_Can(j)Neiaver]]>节点确定簇首后，直接加入该簇首所在的簇，簇首不需要在全网范围内广播自己成为簇首的消息，可以使簇首节约出更过的能量用于数据的收集及转发。簇的建立完成后，簇首采用TDMA方式，为每一个成员节点分配簇时隙，成员节点只在规定的时隙内向簇首发送数据；簇首将簇内数据进行数据融合，并将其直接发送给基站；B)簇内簇首选举当网络中所有簇首的剩余能量都大于阈值Ea时，无需在全网范围内进行簇首选举，只需要在各个簇内选取新的簇首即可；在簇内数据传输过程中，簇成员节点不断的将自己的剩余能量信息发送给簇首，簇首计算自己的剩余能量是否大于簇内节点的平均能量，若当前簇首的剩余能量大于簇内节点的平均剩余能量，则其继续担任簇首，直到当前簇首的能量小于簇内平均能量，由当前簇首根据簇内节点的剩余能量以及簇内通信代价选择出新的簇首，并将新簇首消息广播给簇内的成员节点，成员节点修改自己的簇首消息，继续进行数据采集与发送；C)网络扩展当网络中有新的节点加入时，由新节点向周围簇首发送请求信息，簇首收到请求信息后将自己的位置信息、剩余能量、簇内负载等发送给新节点。新节点收到各簇首的信息后，计算自己的入网许可值Pchj，以确定自己的归属，并加入Pchj取值最大的簇首所在的簇，其中，Pchj=EchjE0*nmLchj*Rdchj]]>其中，Echj为簇首的剩余能量，剩余能量越多的簇首被新节点加入的机率越大；Lchj为簇首chj的负载即簇成员个数，n/m则表示网络中各簇的平均负载，dchj表示新节点到簇首chj的距离，dchj越小说明新节点将数据发送给簇首所消耗的能量将越小；新节点选定簇首后，向该簇首发送节点加入消息，正式加入该簇首所在的簇；簇首收到新节点加入消息后，为新节点分配对应的TDMA时隙，从而完成新节点的入网。