[发明专利]基于二维虚拟网格的动态分簇水声网络路由方法

摘要

本发明针对水下同构传感器节点组成的平面网络，提供一种由Sink节点统一规划传感器网络分簇，实现能量均衡水声通信。算法基于水下传感器节点的相互位置，虚构一个能够覆盖整个传感器网络的由小方格组成的网格系统，网格系统中的小方格有的定义为采集方格，有的定义为簇头方格。用网格系统覆盖传感器节点网络，处于不同方格下面的节点行使不同的功能。Sink节点基于接收的数据进行节点的剩余能量计算，指定网格系统的移动方向，改变节点的功能。此方法能有效节省节点能耗，实现能量均衡，提高网络存活时间。

主权项

基于二维虚拟网格的动态分簇水声网络路由方法，其特征在于如下步骤：第一步：水下传感器网络节点布设，通过锚链对水下传感器网络节点进行锚定，其运动范围相对固定，节点近似均匀分布，给每个节点分配一个独有的ID；第二步：根据传感器网络中的节点实际分布，虚构一个能够覆盖整个传感器网络的由小方格组成的网格图，虚拟网格图中每个小方格对应一个节点，且大小与节点的运动范围一致；第三步：将虚拟网格图中的相邻小方格划分为不同的簇单元，根据虚拟网格图的规模，确定分簇的大小，所有簇的节点数目一致为N，这样，在虚拟网格中定义每个簇单元的大小为且为奇数，簇头则处于每个簇单元的中心位置，此时的簇单元我们定义为初始簇单元；第四步：对虚拟网格图中的小方格和初始簇单元进行编号，簇单元用数字编号，簇内方格用字母编号；第五步：设计广播帧、控制帧和数据帧三种帧类型，广播帧的作用是便于系统在还未分簇的情况下对传感器网络进行初始化，完成初始簇单元分配，控制帧的作用是控制整个传感器网络进行统一的簇头轮换；数据帧是从节点发送给主节点的采集数据，其中需包含各节点的ID,便于在后期Sink节点对各节点的剩余能量进行准确地预测；第六步：传感器网络初始化，Sink节点向传感器网络内各节点进行广播，确定各节点对应的小方格、所属簇单元及簇头所在位置；第七步：各节点将收集到的信息传送到自身所属簇单元的簇头，簇头则进一步将簇内信息进行融合发送至Sink节点，簇头按照公式(1)计算簇内节点能耗，并将信息传给Sink节点，Sink节点根据公式(2)计算簇头能耗，设所有节点的初始能量一致，均为E0；ECM＝l*Eelec+l*εcm_amp*d2toCH   (1)其中，l代表帧长，Eelec为每发出或接收1bit数据电路消耗的能量，εcm_amp为簇成员到簇头间信号放大器内消耗的能量比例系数，dtoCH为簇成员到该簇头的距离；ECH=l*Eelec*(N-1)+l*EA*(N-1)+lL*(N-1)*Eelec+lL*(N-1)*ϵch_amp*dtoBS2---(2)]]>其中，N为簇单元内节点总数，EA为融合1bit数据消耗的能量，数据融合比例为L：1，εch_amp为簇头到基站间信号放大器内消耗的能量比例系数，dtoBS为簇头到Sink节点的距离；第八步：Sink节点计算各节点剩余能量进行下一轮簇单元分配，经过T时间后，将簇单元中相同位置的小方格对应节点的剩余能量进行叠加用于轮换位置判断，如公式(3)所示；Es=ΣiEsi---(3)]]>其中，s为初始簇单元中节点相对位置，i为初始簇编号；第九步：依据公式(3)所计算出的簇单元内各个位置对应节点的剩余能量叠加之和，选择出剩余能量叠加之和最大的簇内位置，在所有簇单元中均选定该位置小方格对应的节点作为下一轮簇头，各簇头轮换移动范围不能超出自己所属的初始簇单元，且当选过簇头的节点不参与选举，这两点由设立的小方格编号确保；第十步：选定簇头后，再依据各节点的ID来进行这一轮的簇单元分配。每个簇单元的大小依旧为簇内节点数为N；第十一步：Sink节点计算所有节点的平均能量作为判断整个传感器网络是否死亡的判断标志，若则跳转至第十四步，否则进行第十二步；第十二步：Sink节点将第六步中计算所得簇头移动方向进行广播，确定簇头，以及这一轮中各节点所属簇单元；第十三步：重复第七步至第十二步的步骤；第十四步：当进行到此步骤时，说明整个网络的剩余能量已经不足初始能量的x倍，基本上已经无法正常有效地进行信息的探测与传输，判定整个传感器网络死亡。