專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議的組簇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及WSNs (Wireless Sensor Networks，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)領(lǐng)域，是一種解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議簇的建立階段能耗大、效率低，網(wǎng)絡(luò)生存周期較短的組簇方法。
背景技術(shù)：
路由協(xié)議是WSNs研究中的一個重要領(lǐng)域，其算法設(shè)計必須考慮WSNs自身多跳、自組織、能源局限性、環(huán)境相關(guān)等主要特點。經(jīng)過大量研究表明，層次路由協(xié)議引入組簇的概念，能更有效的保證WSNs系統(tǒng)的擴展性和工作效率。層次路由的主要研究點在于組簇和傳輸。層次路由協(xié)議每進行一輪都要在全網(wǎng)按照一定的規(guī)則進行一次簇的重建。有的層次路由協(xié)議的組簇機制比較復(fù)雜，在選取簇首時， 不僅考慮節(jié)點的能量，還要考慮節(jié)點與周圍鄰居節(jié)點能量的比較等因素，需要和鄰居節(jié)點大量的交換分組信息。這樣雖然可以保證簇首選舉的合理性，但卻大大增加了組簇過程中節(jié)點的計算量。選簇的規(guī)則越復(fù)雜，節(jié)點的計算量越大，能量的開銷代價就越大?？紤]到以下情況，輪循的方式就顯出不足
(1)當全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，有可能大部分簇的工作狀態(tài)良好，其中簇首消耗的能源并不多。這時如果進入下一輪的簇首的重新選舉，不僅破壞了良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更是對系統(tǒng)當前工作狀態(tài)的一種浪費。在多跳傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每一輪的傳輸階段都要搭建復(fù)雜的傳輸路徑。所以再下一輪除了簇的重建，距基站較遠的簇首，還要重新搭建路由。這也造成了能量的浪費。(2)大部分應(yīng)用環(huán)境需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連續(xù)、穩(wěn)定、實時的回傳數(shù)據(jù)，以滿足用戶的需求。如果簇的重建時序過長，而又采用了輪循的工作方式，則在每輪開始階段，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在進行簇的重組，和路由搭建，這便中斷了數(shù)據(jù)往基站的回傳。這給實時監(jiān)控帶來不便。層次路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如

圖1所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，摒棄了輪循的工作方式，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議成簇方法-獨立重建簇(IRC，independence reconstruction of cluster)來解決大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，需要重新選舉簇首，而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗消耗過大的問題。在這個階段有的簇首能量還足夠大，還能繼續(xù)擔任，如果重新選舉簇頭，這無疑會增加系統(tǒng)的開銷，影響網(wǎng)絡(luò)的生存周期。本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方法是在網(wǎng)絡(luò)初始化時由基站根據(jù)節(jié)點的地理位置信息對整個傳感器網(wǎng)絡(luò)進行合理分層和分簇，然后對所有節(jié)點設(shè)置層次號(Area)和簇號 (CNum)進行標識。這樣保證簇與簇之間保持相互獨立，在某個簇輪換的時候不影響其它狀態(tài)良好簇的正常工作，也不會造成整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重新拓撲。由于網(wǎng)絡(luò)的初始化是由基站統(tǒng)一配置，所以能保證簇在采集區(qū)域的均勻分布，并根據(jù)每個層次的寬度和簇的大小，建立求解最佳簇首數(shù)量的方程，保證簇的合理分布。同時，引入了輔助節(jié)點，負責偵聽簇首的工作狀況，一旦發(fā)現(xiàn)簇首節(jié)點突然死亡，則宣布自己為簇首節(jié)點，并代替簇首發(fā)布重建信息。 在數(shù)據(jù)傳輸過程中，利用層次號標識保證數(shù)據(jù)傳輸路徑都統(tǒng)一由高層到底層依次指向基站，不會出現(xiàn)回路，繞路，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。簇?nèi)節(jié)點以單跳的方式與簇首節(jié)點進行通信，簇首節(jié)點以多跳的方式與基站進行通信。
方法的具體步驟如下
1)網(wǎng)絡(luò)初始化
a、劃分層次
在WSNs系統(tǒng)工作前，首先以基站sink為圓心，以nR為半徑將監(jiān)測區(qū)域分為η層，其中 R為臨界值，η為大于零的正整數(shù)；
b、確定簇域
當傳感器節(jié)點被隨機鋪設(shè)到監(jiān)測區(qū)域后，通過GPS獲取每個節(jié)點的坐標信息，然后將傳感器節(jié)點的坐標和能量發(fā)送給基站，由基站根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小和傳感器節(jié)點的數(shù)量在全網(wǎng)進行層次和簇的劃分，建立層次號和簇號；然后確定簇域，簇域是基站在傳感器網(wǎng)絡(luò)初始化分簇時規(guī)定的一個簇的大小、節(jié)點個數(shù)和分布位置；然后在每個簇中選取能量最大，且距離最近的兩個節(jié)點作為簇首節(jié)點和輔助節(jié)點，如果節(jié)點的初始能量都相同，則隨機選取兩個距離最近的節(jié)點；隨后基站把這些配置信息通過全網(wǎng)廣播發(fā)送給每個節(jié)點；由于第一層次距基站較近，基站位于第1層的中心。所以在第1層中沒有簇首，第1層中中所有普通節(jié)點都與基站進行直接通信；
簇域在以后網(wǎng)絡(luò)運中不會改變，簇的獨立重建在單個簇域中進行，只更換簇首和輔助節(jié)點，而不會改變簇域；
C、確定每層簇數(shù)
簇域為扇形，其中第i層的簇域的數(shù)量^nCi為
2)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)
a、多跳傳輸路徑的建立
簇間數(shù)據(jù)通信依靠多跳傳輸路徑進行，除了第一層的節(jié)點可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)到基站外，其它高層與基站間的數(shù)據(jù)通信要經(jīng)過多跳的方式，通過橋節(jié)點將數(shù)據(jù)按照高層往低層的方向逐級跳的多跳傳輸路徑傳遞到基站，橋節(jié)點只由普通節(jié)點擔任，簇首或輔助節(jié)點不參與競選橋節(jié)點；
b、簇間路由的建立
權(quán)利要求
1. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議的組簇方法，其特征在于，包括以下步驟1)網(wǎng)絡(luò)初始化a、劃分層次在WSNs系統(tǒng)工作前，首先以基站sink為圓心，以nR為半徑將監(jiān)測區(qū)域分為η層，其中 R為臨界值，η為大于零的正整數(shù)；b、確定簇域當傳感器節(jié)點被隨機鋪設(shè)到監(jiān)測區(qū)域后，通過GPS獲取每個節(jié)點的坐標信息，然后將傳感器節(jié)點的坐標和能量發(fā)送給基站，由基站根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小和傳感器節(jié)點的數(shù)量在全網(wǎng)進行層次和簇的劃分，建立層次號和簇號；然后確定簇域，簇域是基站在傳感器網(wǎng)絡(luò)初始化分簇時規(guī)定的一個簇的大小、節(jié)點個數(shù)和分布位置；然后在每個簇中選取能量最大，且距離最近的兩個節(jié)點作為簇首節(jié)點和輔助節(jié)點，如果節(jié)點的初始能量都相同，則隨機選取兩個距離最近的節(jié)點；隨后基站把這些配置信息通過全網(wǎng)廣播發(fā)送給每個節(jié)點；由于第一層次距基站較近，基站位于第1層的中心，所以在第1層中沒有簇首，第一層中所有普通節(jié)點都與基站進行直接通信；簇域在以后網(wǎng)絡(luò)運中不會改變，簇的獨立重建在單個簇域中進行，只更換簇首和輔助節(jié)點，而不會改變簇域；C、確定每層簇數(shù)簇域為扇形，其中第i層的簇域的數(shù)量NumCi為2)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)a.多跳傳輸路徑的建立簇間數(shù)據(jù)通信依靠多跳傳輸路徑進行，除了第一層的節(jié)點可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)到基站外，其它高層與基站間的數(shù)據(jù)通信要經(jīng)過多跳的方式，通過橋節(jié)點將數(shù)據(jù)按照高層往低層的方向逐級跳的多跳傳輸路徑傳遞到基站，橋節(jié)點只由普通節(jié)點擔任，簇首或輔助節(jié)點不參與競選橋節(jié)點；b.簇間路由的建立由數(shù)據(jù)通信多跳傳輸路徑起始端所在簇的簇首首先廣播消息Msg_FindNext至下一層，下一層的普通節(jié)點收到該信息后，回傳消息Msg_EleCtB給上面的簇首，Msg_EleCtB消息包含普通節(jié)點的ID、剩余能量和坐標，c.簇首分別計算與每個回傳消息節(jié)點距離d和親近度，親近度是節(jié)點剩余能量PA和兩節(jié)點之間的距離D的比值，選取親近度最大的節(jié)點作為第一跳的橋節(jié)點或第一橋節(jié)點，d.簇首發(fā)送Msg_BeB消息給第一橋節(jié)點進行確認，第一跳的路徑搭建完成；e.隨后第一橋節(jié)點繼續(xù)發(fā)送Msg_FindNext給再下一層，并依據(jù)親近度尋找下一橋節(jié)占. 以此類推，直到消息到達基站時，整條由起始簇首到基站的多跳傳輸路徑建立成功。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議的組簇方法，其特征在于，所述簇首盡可能的位于簇域的中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議的組簇方法，其特征在于，輔助節(jié)點用于簇的重組實現(xiàn)，輔助節(jié)點的選舉標準是和簇首的親近度最大的成員節(jié)點，所述親近度就是成員節(jié)點剩余能量PA和該節(jié)點到簇首的距離D的比值；輔助節(jié)點的功能如下a、輔助節(jié)點不進行數(shù)據(jù)采集b、在簇重組時，輔助節(jié)點直接繼承為簇首，并按照輔助節(jié)點的選取規(guī)則重新選取自己的輔助節(jié)點；C、輔助節(jié)點負責偵聽簇首的工作狀況，一旦發(fā)現(xiàn)簇首節(jié)點突然死亡，則宣布自己為簇首節(jié)點，并代替簇首發(fā)布重建信息；有兩種情況需要進行簇的重建簇首的突然死亡和簇首的能量消耗過大；簇的重建過程如下首先成員節(jié)點接收到Msg_CHDead后則停止發(fā)送數(shù)據(jù)給簇首，輔助節(jié)點接收到Msg_ CHDead或得知簇首死亡時，將本地狀態(tài)設(shè)為簇首，然后在簇內(nèi)廣播消息Msg_CReBulid，成員節(jié)點接收到Msg_CReBulid后，將本地的簇首ID更新為該信息的SourceJD，即原輔助節(jié)點ID，然后向新簇首發(fā)送Msg_EleCtS消息，Msg_EleCtS包含成員節(jié)點的剩余能量、坐標和 ID，新簇首會依次計算和每個成員節(jié)點的親近度，親近度最大的節(jié)點則當選為新的輔助節(jié)占.新的輔助節(jié)點被選舉后，就不再進行數(shù)據(jù)采集了 ；隨后新簇首會向全簇廣播消息Msg_ OKBulid消息，告知成員節(jié)點，簇的重建工作已經(jīng)完成，可以正常的發(fā)送數(shù)據(jù)到簇首；簇的重建過程中所傳輸?shù)乃邢ⅲ紟в性垂?jié)點的ANum和CNum，如果簇外的傳感器節(jié)點接收到這些信息，消息中的ANum、CNum與本地的不同，則這些消息被忽略，不做任何處理，這樣就保證了簇的獨立重建。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議的組簇方法，其特征在于，步驟2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)中對于同一條傳輸路徑使用一定時間后，其中的一些橋節(jié)點會出現(xiàn)能量消耗過快的現(xiàn)象，這些節(jié)點必須退出路徑以避免節(jié)點過早死亡，需要采用路徑補救實現(xiàn)方法即當某條路徑中的某橋節(jié)點的能量消耗達到某一閾值，需要退出路徑，步驟如下(1)首先某橋節(jié)點發(fā)送包含下一跳橋節(jié)點的ID的消息Msg_QuitB給自己的上一跳橋節(jié)點，然后該橋節(jié)點重新成為普通節(jié)點；(2)上一跳橋節(jié)點按照權(quán)利要求1步驟2)的簇間路由的建立方法，重新發(fā)送Msg_ ReFindNext尋找到下一跳橋節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議成簇方法，與傳統(tǒng)的層次路由協(xié)議的分簇方法不同，本發(fā)明對所有節(jié)點設(shè)置層次號和簇號進行標識，并計算出每層合理的簇數(shù)，設(shè)計了合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)路由協(xié)議的簇域分布過多，基站對網(wǎng)絡(luò)的管理更加繁瑣和復(fù)雜的問題。本發(fā)明提出的獨立重建簇的方法有效地平衡簇首節(jié)點與簇內(nèi)節(jié)點之間的能量消耗，有效地提高了簇頭節(jié)點基站進行通信的效率，顯著的延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。本發(fā)明通過輔助節(jié)點對簇首節(jié)點進行實時的監(jiān)聽，防止因簇首突然死亡，整個簇失去管理而造成的能量浪費。還在數(shù)據(jù)傳輸過程中，設(shè)計了合理的路徑補救策略，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c完整性。
文檔編號H04W40/02GK102448138SQ20111045868
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉建鋒, 劉達明, 張 林, 李兵, 蔣貴全, 龍昭華 申請人:重慶郵電大學(xué)