[发明专利]一种改进的无线传感网层次型多链路方法

摘要

本发明涉及一种改进的无线传感网层次型多链路方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法以轮数为单位的，每一轮分为四个阶段：1)包括子区域的划分阶段，在该阶段将监控区域按照最优簇头数划分为m个子区域；2)子区域链路的形成阶段，子区域内离基站最远位置的传感器节点开始建立链接，最终形成单链路；3)leader节点的链接形成阶段，离基站最远位置的传感器leader节点开始建立链接，最终形成树状结构；4)数据传输阶段。该算法通过静态分簇，在一定程度上避免了长链的产生，改善链路形成阶段的竞争权重以及控制节点的重组频率的方法，更好的平衡了无线传感网的网络时延和网络生存时间，提高了网络性能。

主权项

1.一种改进的无线传感网层次型多链路方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：/nS1：在监控区域部署节点之后，基站发送初始化消息InitialMSG，收到InitialMSG消息的传感器节点上报自身位置、id、剩余能量消息；基站获取节点信息，统计节点总数，监控区域内节点利用定位技术获知自己到基站的距离，然后根据这些距离信息确定自己的梯度等级level；/nS2：基站根据收集的传感器节点信息对监控区域进行划分，通过下发广播消息adverinfoMSG，使监控区域的传感器节点加入不同的子区域；/nS3：在每个子区域内，从离基站最远的传感器节点开始，通过比较能量距离，形成单链路，子区域内的传感器节点能量高于子区域剩余能量均值E_ave当选为候选簇头，基站通过比较候选簇头的剩余能量，选择剩余能量最大的候选簇头成为leader节点；/nS4：对选举出的leader节点，从离基站最远的传感器节点开始，等待加入的节点i通过比较与已经加入链接的节点j的竞争权重w(i,j)，选择小的w(i,j)依次加入链接，最终所有的leader节点之间形成树形层次结构，根据比例函数Q确定其中的root节点，与基站完成通信；/n在步骤S1中，定义传感器节点梯度等级level为：/n /n其中，ceil()为向上取整函数，dist_toBS为传感器节点到基站的距离，是自由空间传播模型和多径衰减模型的临界距离，ε_fs、ε_mp分别为自由空间传播模型和多径衰减模型功率放大所需要的能量；/n在步骤S3中，簇内节点在各自的通信半径内广播邻居建立请求消息helloMSG，获取邻居信息列表，邻居信息列表表项如下：/n CID(I) NID(i) E_r(i) RSSI(i) /n其中CID(I)为第i个邻居节点所在簇的id；NID(i)为节点i的节点id；E_r(i)为节点i当前工作轮数的剩余能量；RSSI(i)为节点i的接收信号强度值；/n定义能量距离为：/n /n其中，E₀(j)表示的是目的节点j的第r轮初始能量，E_r(j)表示的是目的节点j在第r 轮的剩余能量，Ploss(i,j)表示的是节点i到达目的节点j的能量损耗，其定义为Ploss(i,j)＝p_t(i)-rssi(j)，其中，p_t(i)为节点i发送的信号强度，rssi(j)表示的是目的节点j接收的信号强度；由此可知，Ploss(i,j)越大，说明节点i和节点j之间损耗很大；反之，说明损耗很小；/n具有N个传感器节点的子区域剩余能量均值为：/n /n其中，E_each表示每一轮的能量消耗，E₀为节点的初始能量，r为当前的仿真轮数；对于具有N个节点的传感器网络，每一轮的能量消耗定义为：/nE_each＝2kNE_elec+kNE_DA+kNε_fsd²+kNε⁴_mp/n其中，信息长度为k bit，E_elec为发送或接收电路每处理1比特数据所消耗的能量，E_DA为节点处理1比特的能量损耗，ε_fs、ε_mp分别为自由空间传播模型和多径衰减模型功率放大所需要的能量；/n在步骤S4中，leader节点间的竞争权重为：/n /n其中，E_r(j)为节点j的剩余能量，Ploss(i,j)表示的是节点i到达下一跳节点j的能量损耗，level(j)指的是节点j距离BS的梯度等级；比例函数Q定义为其中，E_r(i)为节点i在第r轮的剩余能量，d_toBS为传感器节点到基站的距离，ρ(i)定义为节点i根据基站广播的消息帧获得通信半径r内的邻居节点密度，计算公式为其中，Neighbor_alive(i)表示节点i在通信半径r范围内的邻居节点数；/n完成root节点的选择后，进入到数据传输阶段，在每个子区域内，leader节点传输；首先leader产生一个标志包token，并选择链的任意端，再把这个包沿着链逐跳地发送出去；从链末端开始，节点将采集的数据和收到的token包一起传输给下一跳邻居节点，邻居节点将自己的数据和收到的数据进行融合再发送给自己的邻居节点，直到leader节点收到token包和数据；在下一阶段类似的完成leader节点间的通信，最后数据由root节点接收，便完成与基站的直接通信。/n