專利名稱：一種基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明以移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于分區(qū)機(jī)制的分簇方法，既考慮移動(dòng)性又兼顧節(jié)點(diǎn)剩余能量，能有效提高網(wǎng)絡(luò)連通性并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，屬于無(wú)線通信中的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)大都是由大量部署在觀測(cè)環(huán)境中的微型、廉價(jià)、低功耗、帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅具備傳感、計(jì)算和通信的能力，而且具備一定的移動(dòng)能力。通常情況下，為了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)中只有少量的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送查詢消息、接收其它節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。 由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨一定的挑戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，而且不能預(yù)先建立消息傳送網(wǎng)絡(luò)；另外，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置頻繁更新，導(dǎo)致傳感器有限的電池能量消耗過(guò)快；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化需要各節(jié)點(diǎn)不斷向周邊網(wǎng)絡(luò)反饋信息，增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬以及無(wú)線沖突的可能性；由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)還可能會(huì)出現(xiàn)短暫分離狀態(tài)，無(wú)法保證數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)性。由于移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述挑戰(zhàn)，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次型拓?fù)淇刂剖且环N有效的方法。進(jìn)行層次型拓?fù)淇刂谱钪匾氖菍?duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的分簇。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以簇的形式組網(wǎng)。通常，在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，網(wǎng)絡(luò)被劃分成若干個(gè)節(jié)點(diǎn)集合，該集合由一、兩個(gè)頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)組成，現(xiàn)有的文獻(xiàn)把該集合命名為簇。簇頭負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)匯聚節(jié)點(diǎn)的查詢信息，并向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送從成員節(jié)點(diǎn)收集的傳感數(shù)據(jù)。成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把收集的數(shù)據(jù)上傳給簇頭節(jié)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)冗余性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，滿足大規(guī)模部署的需求。早期的分簇算法有兩種最小標(biāo)識(shí)優(yōu)先算法(Lowest-ID)和最大連接度優(yōu)先算法(Max-Degree)。在最小標(biāo)識(shí)符優(yōu)先算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)全網(wǎng)范圍內(nèi)唯一的標(biāo)識(shí)(ID)，并周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播其ID。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以將自己的ID與其直接鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)自己為ID最小的節(jié)點(diǎn)，則自動(dòng)成為簇頭節(jié)點(diǎn)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于兩個(gè)或多個(gè)簇頭的發(fā)送范圍之內(nèi)，則成為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。最大連接度算法的簇頭選擇的標(biāo)準(zhǔn)是連接度，也就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的直接鄰居個(gè)數(shù)。與最小ID算法一樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地向其直接鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自己的連接度，這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以將自己的連接度與直接鄰居節(jié)點(diǎn)相互比較，如果發(fā)現(xiàn)自己的連接度最大，則自動(dòng)成為簇頭節(jié)點(diǎn)，其鄰居節(jié)點(diǎn)成為成員節(jié)點(diǎn)。它們均以單個(gè)因素作為簇頭選擇的標(biāo)準(zhǔn)，性能較差。因此有文獻(xiàn)提出了對(duì)這兩個(gè)基本算法的改進(jìn)，如Modified Lowest-ID算法,選擇具有較高連接度的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，當(dāng)連接度相同時(shí)，優(yōu)先考慮ID最小的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。該算法在簇結(jié)構(gòu)的維護(hù)上具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但其要求分簇過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳话l(fā)生變化的條件過(guò)于理想化，在實(shí)際中很難滿足，而且簇頭選取標(biāo)準(zhǔn)單一，缺乏公平性，因此，Turgut等提出了基于權(quán)值的分簇算法(WCA)，權(quán)值的計(jì)算綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的連接度、移動(dòng)速度、能源消耗以及簇成員限制等因素，并給出了權(quán)值中各項(xiàng)因素的計(jì)算方法。因此，網(wǎng)絡(luò)的連通性得到改善。Chih-Yu Wen等提出了 Self-Adaptive MobileClustering Algorithm(SAMCA),進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性,該算法把移動(dòng)性及節(jié)點(diǎn)度作為簇頭選舉的因素，選取速度值趨向平均的節(jié)點(diǎn)作為簇頭的候選節(jié)點(diǎn)，但由于采用迭代的方法進(jìn)行計(jì)算，算法較為復(fù)雜，且未考慮節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題。S. Deng等提出了 mobility-basedclustering(MBC)的分簇方法，該算法綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和移動(dòng)性，采用類似于LEACH的方法隨機(jī)選取簇頭，算法簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模部署，然而網(wǎng)絡(luò)的能量均衡未加以考慮，這將影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。綜合考慮上述因素，需要一種更高效的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇機(jī)制來(lái)均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高節(jié)點(diǎn)間的連通性及簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法。 該方法綜合考慮節(jié)點(diǎn)的能耗、移動(dòng)性及簇內(nèi)的負(fù)載等因素，通過(guò)將簇分成適當(dāng)數(shù)量的子區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)簇的分區(qū)。當(dāng)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)大時(shí)，則選擇移動(dòng)性適中且剩余能量多的節(jié)點(diǎn)作為子區(qū)域簇頭，通過(guò)子區(qū)域簇頭組織其它節(jié)點(diǎn)形成子區(qū)；當(dāng)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)小時(shí)，則選擇加入附近的簇，成為附近簇的子區(qū)。采用分區(qū)的機(jī)制，旨在提高簇的穩(wěn)定性，改善網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡性能，降低網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。本發(fā)明基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇步驟為步驟I :統(tǒng)計(jì)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；步驟2 :判斷各簇的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)是否大于平均值N/k(N為檢測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，k為分區(qū)前簇的數(shù)量)，如果是，則執(zhí)行步驟5 ;否則，計(jì)算該簇所需劃分的子區(qū)域數(shù)s ；步驟3 :節(jié)點(diǎn)數(shù)是否小于閾值Th，如果是，則執(zhí)行步驟4 ;否則，執(zhí)行步驟I ;步驟4 :等待附近的簇接納，轉(zhuǎn)步驟10 ；步驟5 :計(jì)算該簇中成員節(jié)點(diǎn)成為子區(qū)域簇頭的概率ps、能量因子Fe及比較閾值T⑴；步驟6 :每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)(0，1)的隨機(jī)數(shù)，判斷隨機(jī)數(shù)是否小于比較閾值，如果是，則執(zhí)行步驟7 ;否則，執(zhí)行步驟8 ；步驟7 :成為子區(qū)域簇頭，向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播簇頭信息，轉(zhuǎn)步驟10 ；步驟8:成為待定節(jié)點(diǎn)；步驟9 :判斷是否收到子區(qū)域簇頭廣播，如果是，則選擇最近的子區(qū)域簇頭加入，成為該子區(qū)域簇頭的成員節(jié)點(diǎn)；否則，執(zhí)行步驟8 ;步驟10:成為子區(qū)；所述步驟2中，s的計(jì)算式為
權(quán)利要求
1.一種基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征是 A.在簇的負(fù)載過(guò)重時(shí)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的能耗及移動(dòng)性等因素，結(jié)合該簇的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，將其劃分為多個(gè)子區(qū)域，即當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量大于平均值時(shí)，根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)、簇的總數(shù)及檢測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，將該簇所需劃分為適當(dāng)?shù)淖訁^(qū)域； B.通過(guò)對(duì)負(fù)載過(guò)小的簇降級(jí)為鄰居簇的子區(qū)域，即當(dāng)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)小時(shí)，將該簇頭降級(jí)，使之成為鄰居簇頭下轄的子區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征是選擇剩余能量大且速率趨近于平均值的簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)為備選的子區(qū)域簇頭節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征是當(dāng)子區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量過(guò)多時(shí)，則將子區(qū)分裂為適當(dāng)數(shù)量的區(qū)域；當(dāng)子區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)小時(shí)，則與附近的子區(qū)合并。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征是在子區(qū)域中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為子區(qū)域的簇頭，子區(qū)域中的其它節(jié)點(diǎn)則成為子區(qū)域的成員節(jié)點(diǎn)，子區(qū)域的成員節(jié)點(diǎn)將采集到的信息上傳給子區(qū)域簇頭，子區(qū)域簇頭再將信息上傳給簇頭，簇頭將來(lái)自各子區(qū)域的信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于分區(qū)的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，屬于無(wú)線通信中的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。該方法結(jié)合簇的負(fù)載情況，既考慮移動(dòng)性又兼顧節(jié)點(diǎn)剩余能量，通過(guò)對(duì)比簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，得出各簇的負(fù)載情況。通過(guò)將負(fù)載過(guò)大的簇分成適當(dāng)數(shù)量的子區(qū)域、將負(fù)載過(guò)小的簇降級(jí)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)簇的分區(qū)。本發(fā)明能有效提高網(wǎng)絡(luò)連通性及簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號(hào)H04W28/08GK102821422SQ20121018261
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者孫詠梅, 仇必青, 紀(jì)越峰 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)