一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法
【專利摘要】一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法，本發(fā)明涉及一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議算法，具體涉及一種匯聚點(diǎn)在中心位置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量均衡的相關(guān)原理和方法。本發(fā)明是要解決近匯聚點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重，由能量有限的電池供電且部署后不易再次充電，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的生命周期短的問題，而提供了一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法。一、監(jiān)控區(qū)域分簇區(qū)；二、網(wǎng)絡(luò)建立階段中繼點(diǎn)選擇；三、網(wǎng)絡(luò)建立階段簇首選擇；四、時(shí)隙分配；五、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段中繼點(diǎn)卸任與繼任；六、簇首卸任與繼任；七、數(shù)據(jù)的采集和融合；八、數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明應(yīng)用于通信領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議算法，具體涉及一種匯聚點(diǎn)在中心位置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量均衡的相關(guān)原理和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)隨著傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用越來越廣泛，特別是對(duì)于一些自然環(huán)境比較惡劣的區(qū)域進(jìn)行信息的采集。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在被監(jiān)測(cè)環(huán)境中的微型傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息，通過無線方式組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)給匯聚點(diǎn)進(jìn)行處理的一種監(jiān)控型網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)一般是由能量有限的電池供電且部署后不易再次充電，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)具有一定的生存時(shí)間，如何在有限的能量下提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。針對(duì)此種狀況，本發(fā)明提出了一種基于扇形非均勻分簇的路由協(xié)議方法，可以有效的平衡各節(jié)點(diǎn)能量消耗。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分簇傳輸協(xié)議，是把整個(gè)傳感器監(jiān)控區(qū)域分成多個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為區(qū)域簇首，在每個(gè)數(shù)據(jù)采集的周期開始，部分節(jié)點(diǎn)被選擇成為簇首，在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚點(diǎn)，為了均衡的消耗能量，簇首在傳感器節(jié)點(diǎn)之間定期輪換，以平衡各節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期受制于的傳感器節(jié)點(diǎn)有限的能量資源，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量消耗與需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和傳輸距離有很大關(guān)系，為了在有限的能量下盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，可以從兩方面減少能量消耗，一是減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；二是縮短數(shù)據(jù)傳輸距離。
[0004]簇首與匯聚點(diǎn)之間的通信可以被組織成單跳和多跳兩種方式，在單跳通信，每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)到達(dá)匯聚點(diǎn)，而在多跳通信中，簇首節(jié)點(diǎn)具有有限傳輸范圍，以其他節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)通過多次中繼傳輸?shù)竭_(dá)匯聚點(diǎn)。在單跳和多跳模式下，都存在一個(gè)不可回避的問題，即不同的節(jié)點(diǎn)之間的不平衡能量耗散的問題，對(duì)于單跳通信中，距離匯聚點(diǎn)最遠(yuǎn)的簇消耗能量最快，而在多跳通信，最靠近基站的節(jié)點(diǎn)都背負(fù)著沉重的中繼業(yè)務(wù)量，這都會(huì)導(dǎo)致一些節(jié)點(diǎn)過早失去能量死亡，使網(wǎng)絡(luò)失去部分感知能力。
[0005]在相關(guān)文獻(xiàn)中已經(jīng)證明，簇首和匯聚點(diǎn)之間通信采用多跳方式更有利于節(jié)省能量，即通過簇首組成一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)，通過簇首間的多跳通信發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚點(diǎn)，相當(dāng)于縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。在同構(gòu)的分簇多跳網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都具有相同的硬件和處理能力，簇頭的選擇通常是周期性地在節(jié)點(diǎn)之間競(jìng)選產(chǎn)生以平衡負(fù)載。雖然輪換簇頭的作用確保了傳感器更均勻地消耗能量，但上述所提到的近匯聚點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重的問題不能完全避免。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是要解決近匯聚點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重，由能量有限的電池供電且部署后不易再次充電，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的生命周期短的問題，而提供了一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法。[0007]基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法具體步驟為:
[0008]步驟一:監(jiān)控區(qū)域分簇區(qū):
[0009]整個(gè)監(jiān)控區(qū)域分成m個(gè)扇形區(qū)域，η個(gè)環(huán)形層，靠近匯聚點(diǎn)的第一層不形成簇，總計(jì)有m*(n-l)個(gè)分簇區(qū)；
[0010]步驟二:網(wǎng)絡(luò)建立階段中繼點(diǎn)選擇:
[0011]匯聚點(diǎn)首先向Cl1半徑范圍內(nèi)的能量瓶頸區(qū)域的節(jié)點(diǎn)發(fā)送競(jìng)選條件，滿足能量條件的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求給匯聚點(diǎn)，匯聚點(diǎn)根據(jù)劃分的m個(gè)扇形區(qū)域的每個(gè)區(qū)域中選擇出一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，首次選擇能量值最高的節(jié)點(diǎn)，如果多個(gè)相同能量節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)選出一個(gè)作為中繼點(diǎn)；
[0012]步驟三:網(wǎng)絡(luò)建立階段簇首選擇:
[0013]匯聚點(diǎn)S向第二層內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播其所在簇的中繼節(jié)點(diǎn)并發(fā)出競(jìng)選條件，即能量閥值ET2i，符合條件的傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)位置和能量值給所對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)，中繼點(diǎn)在對(duì)應(yīng)扇區(qū)第二層簇區(qū)內(nèi)選擇距離自身最近的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)H2i，并匯報(bào)給匯聚點(diǎn)；匯聚點(diǎn)向第三層內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播第二層簇首節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)果，并發(fā)出第三層內(nèi)選擇簇首的競(jìng)選條件，符合條件的第三層內(nèi)節(jié)點(diǎn)向第二層簇首上報(bào)能量值，由第二層簇首選擇出符合條件的距離自己最近的第三層節(jié)點(diǎn)作為第三層中的簇首H3i;以此類推選出各層中每個(gè)簇的簇首節(jié)點(diǎn)；
[0014]步驟四:時(shí)隙分配:
[0015]匯聚點(diǎn)為所有中繼點(diǎn)、匯聚點(diǎn)以及瓶頸區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分配通信時(shí)隙，中繼點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)為與其通信的節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，采用任務(wù)循環(huán)的方式進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)在不需要通信時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)；`
[0016]步驟五:網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段中繼點(diǎn)卸任與繼任:
[0017]當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的中繼點(diǎn)Rij的能量低于PeE (Rijstart)時(shí)，即Ri^pliE (Rij start)，其中Pr表示剩余百分比，i表示所在層數(shù)，j表示所在分區(qū)數(shù)，E (RiDtart)表示最初競(jìng)選成為中繼點(diǎn)時(shí)此節(jié)點(diǎn)的能量值，中繼點(diǎn)在此次任務(wù)循環(huán)結(jié)束后卸任，首先中繼點(diǎn)發(fā)出卸任申請(qǐng)給匯聚點(diǎn)，由匯聚點(diǎn)發(fā)出競(jìng)選通知給此中繼點(diǎn)所在的扇區(qū)Dlj內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，此區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)開始競(jìng)選新的中繼節(jié)點(diǎn)，其中達(dá)到能量閥值且距離匯聚點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)被任命為此區(qū)域內(nèi)新的中繼點(diǎn)，匯聚點(diǎn)會(huì)向第二層內(nèi)的對(duì)應(yīng)簇區(qū)的簇首發(fā)出通知，告知新的中繼點(diǎn)的ID號(hào)，新中繼點(diǎn)占用原中繼點(diǎn)發(fā)送接收時(shí)隙，不重新進(jìn)行時(shí)隙分配，新任中繼點(diǎn)發(fā)出通知給下一級(jí)的簇首進(jìn)行通信；
[0018]步驟六:簇首卸任與繼任:
[0019]當(dāng)一個(gè)簇首Hij的能量低于phE(Hij start)時(shí)，即E (Hij) <pHE (Hij start)，在這個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后此簇首卸任，其中Ph表示能量剩余百分比，E(HU start)表示最初競(jìng)選成為簇首時(shí)此簇首節(jié)點(diǎn)的能量值，首先簇首發(fā)出卸任通知給上一級(jí)簇首或中繼點(diǎn)和下一級(jí)簇首，由上一級(jí)簇首或中繼點(diǎn)發(fā)出競(jìng)選通知，此簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行競(jìng)選，其中達(dá)到能量閥值且距離上一級(jí)簇首最近的節(jié)點(diǎn)成為簇首，由上一級(jí)簇首向其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播通知，告知新簇首的ID號(hào)，新簇首再發(fā)出通知給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和下一級(jí)簇首節(jié)點(diǎn)，告知自己的位置和分配通信時(shí)隙給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)；
[0020]如果多個(gè)在同一扇區(qū)內(nèi)的簇在同一個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后卸任，卸任的順序由外向內(nèi)進(jìn)行，繼任的次序由內(nèi)向外進(jìn)行，當(dāng)舊簇首或者中繼點(diǎn)卸任，新簇首或中繼點(diǎn)繼任后，返回步驟五重新進(jìn)行分配時(shí)隙，其中不需要所有時(shí)隙都重新分配，只需要重新分配新任簇首的簇內(nèi)通信時(shí)隙；
[0021]步驟七:數(shù)據(jù)的采集和融合:
[0022]每個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)送至簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；
[0023]步驟八:數(shù)據(jù)傳輸:
[0024]融合后的數(shù)據(jù)通過多跳傳輸方式由外向內(nèi)傳輸，最后匯聚到匯聚點(diǎn)處，每進(jìn)行完一個(gè)任務(wù)循環(huán)，返回步驟五和六進(jìn)行判斷，即完成了一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法。
[0025]發(fā)明效果:
[0026]本發(fā)明提出了一種非均勻扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(UnequalFanshaped Cluster-based Routing Protocol,UFC),其本質(zhì)是利用非均勻分族實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中能量消耗的均衡。整個(gè)路由的組織采用了多跳方式的簇間通信(包括和Sink點(diǎn)通信)和單跳方式的簇內(nèi)通信，基于分簇的層次式路由算法通過把傳感器節(jié)點(diǎn)組合成小的集群，其中每個(gè)簇內(nèi)各傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)首先被發(fā)送到簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮融合，減少數(shù)據(jù)傳輸量。
[0027]本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于匯聚點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中心的非均勻扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，用于緩解臨近匯聚點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能耗負(fù)擔(dān)過重的問題。臨近匯聚點(diǎn)的能量瓶頸區(qū)域直接傳輸采集數(shù)據(jù)給匯聚點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流作為中繼點(diǎn)傳輸外圍采集的數(shù)據(jù)到匯聚點(diǎn)，同時(shí)外圍區(qū)域以扇形劃分不同的層形成大小不同的簇，每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送到的簇首，在簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，然后以多跳方式把數(shù)據(jù)送到匯聚點(diǎn)，通過調(diào)整能量瓶頸區(qū)和各層的半徑大小來均衡每個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)平均能耗，使整個(gè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)生命周期更接近，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
`[0028]1、不是在每個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后再次重新選擇簇首和中繼點(diǎn)，是由簇首或中繼點(diǎn)自己判斷能量情況決定是否卸任；減少了重新競(jìng)選簇首頻率，節(jié)省了競(jìng)選簇首和中繼點(diǎn)所耗費(fèi)的能量；
[0029]2、接近匯聚點(diǎn)的瓶頸區(qū)域(第一層區(qū)域)內(nèi)節(jié)點(diǎn)不分簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是直接發(fā)送采集數(shù)據(jù)給匯聚點(diǎn)，由匯聚點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理；
[0030]3、在重新競(jìng)選中繼點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)過程中，更多的讓匯聚點(diǎn)參與進(jìn)來，分擔(dān)部分通信的能量消耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明流程圖；
[0032]圖2是實(shí)施例中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3是實(shí)施例中的總的協(xié)議流程；
[0034]圖4是實(shí)施例中的給出了網(wǎng)絡(luò)建立階段第一層分區(qū)內(nèi)中繼點(diǎn)選擇；
[0035]圖5是實(shí)施例中的網(wǎng)絡(luò)建立階段簇區(qū)內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)選擇；
[0036]圖6是實(shí)施例中的表示網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段中繼點(diǎn)卸任與繼任的流程；
[0037]圖7是實(shí)施例中的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段簇首節(jié)點(diǎn)卸任與繼任的流程；
[0038]圖8是實(shí)施例中的UFC和Leach方法的節(jié)點(diǎn)存活數(shù)目對(duì)比圖，其中，——表示UFC，
[0039]-------表示 LEACH?！揪唧w實(shí)施方式】
[0040]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法具體步驟為:
[0041]步驟一:監(jiān)控區(qū)域分簇區(qū):
[0042]整個(gè)監(jiān)控區(qū)域分成m個(gè)扇形區(qū)域，η個(gè)環(huán)形層，靠近匯聚點(diǎn)的第一層不形成簇，總計(jì)有m*(n-l)個(gè)分簇區(qū)；
[0043]步驟二:網(wǎng)絡(luò)建立階段中繼點(diǎn)選擇:
[0044]匯聚點(diǎn)首先向Cl1半徑范圍內(nèi)的能量瓶頸區(qū)域的節(jié)點(diǎn)發(fā)送競(jìng)選條件，滿足能量條件的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求給匯聚點(diǎn)，匯聚點(diǎn)根據(jù)劃分的m個(gè)扇形區(qū)域的每個(gè)區(qū)域中選擇出一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，首次選擇能量值最高的節(jié)點(diǎn)，如果多個(gè)相同能量節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)選出一個(gè)作為中繼點(diǎn)；
[0045]步驟三:網(wǎng)絡(luò)建立階段簇首選擇:
[0046]匯聚點(diǎn)S向第二層內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播其所在簇的中繼節(jié)點(diǎn)并發(fā)出競(jìng)選條件，即能量閥值ET2i，符合條件的傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)位置和能量值給所對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)，中繼點(diǎn)在對(duì)應(yīng)扇區(qū)第二層簇區(qū)內(nèi)選擇距離自身最近的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)H2i，并匯報(bào)給匯聚點(diǎn)；匯聚點(diǎn)向第三層內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播第二層簇首節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)果，并發(fā)出第三層內(nèi)選擇簇首的競(jìng)選條件，符合條件的第三層內(nèi)節(jié)點(diǎn)向第二層簇首上報(bào)能量值，由第二層簇首選擇出符合條件的距離自己最近的第三層節(jié)點(diǎn)作為第三層中的簇首H3i;以此類推選出各層中每個(gè)簇的簇首節(jié)點(diǎn)；
[0047]步驟四:時(shí)隙分配:
[0048]匯聚點(diǎn)為所有中繼點(diǎn)、匯聚點(diǎn)以及瓶頸區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分配通信時(shí)隙，中繼點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)為與其通信的節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，采用任務(wù)循環(huán)的方式進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)在不需要通信時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)；
[0049]步驟五:網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段中繼點(diǎn)卸任與繼任:
[0050]當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的中繼點(diǎn)Rij的能量低于PkE (Rij start)時(shí)，即Rij〈PRE (Rij start)，其中Pr表示剩余百分比，i表示所在層數(shù)，j表示所在分區(qū)數(shù)，E(RiLstart)表示最初競(jìng)選成為中繼點(diǎn)時(shí)此節(jié)點(diǎn)的能量值，中繼點(diǎn)在此次任務(wù)循環(huán)結(jié)束后卸任，首先中繼點(diǎn)發(fā)出卸任申請(qǐng)給匯聚點(diǎn)，由匯聚點(diǎn)發(fā)出競(jìng)選通知給此中繼點(diǎn)所在的扇區(qū)Dlj內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，此區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)開始競(jìng)選新的中繼節(jié)點(diǎn)，其中達(dá)到能量閥值且距離匯聚點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)被任命為此區(qū)域內(nèi)新的中繼點(diǎn)，匯聚點(diǎn)會(huì)向第二層內(nèi)的對(duì)應(yīng)簇區(qū)的簇首發(fā)出通知，告知新的中繼點(diǎn)的ID號(hào)，新中繼點(diǎn)占用原中繼點(diǎn)發(fā)送接收時(shí)隙，不重新進(jìn)行時(shí)隙分配，新任中繼點(diǎn)發(fā)出通知給下一級(jí)的簇首進(jìn)行通信；
[0051]步驟六:簇首卸任與繼任:
[0052]當(dāng)一個(gè)簇首Hij的能量低于phE(Hij start)時(shí)，即E (Hij) <pHE (Hij start)，在這個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后此簇首卸任，其中Ph表示能量剩余百分比，E(HU start)表示最初競(jìng)選成為簇首時(shí)此簇首節(jié)點(diǎn)的能量值，首先簇首發(fā)出卸任通知給上一級(jí)簇首或中繼點(diǎn)和下一級(jí)簇首，由上一級(jí)簇首或中繼點(diǎn)發(fā)出競(jìng)選通知，此簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行競(jìng)選，其中達(dá)到能量閥值且距離上一級(jí)簇首最近的節(jié)點(diǎn)成為簇首，由上一級(jí)簇首向其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播通知，告知新簇首的ID號(hào)，新簇首再發(fā)出通知給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和下一級(jí)簇首節(jié)點(diǎn)，告知自己的位置和分配通信時(shí)隙給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)；[0053]如果多個(gè)在同一扇區(qū)內(nèi)的簇在同一個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后卸任，卸任的順序由外向內(nèi)進(jìn)行，繼任的次序由內(nèi)向外進(jìn)行，當(dāng)舊簇首或者中繼點(diǎn)卸任，新簇首或中繼點(diǎn)繼任后，返回步驟五重新進(jìn)行分配時(shí)隙，其中不需要所有時(shí)隙都重新分配，只需要重新分配新任簇首的簇內(nèi)通信時(shí)隙；
[0054]步驟七:數(shù)據(jù)的采集和融合:
[0055]每個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)送至簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；
[0056]步驟八:數(shù)據(jù)傳輸:
[0057]融合后的數(shù)據(jù)通過多跳傳輸方式由外向內(nèi)傳輸，最后匯聚到匯聚點(diǎn)處，每進(jìn)行完一個(gè)任務(wù)循環(huán)，返回步驟五和六進(jìn)行判斷，即完成了一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法。
[0058]此協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和傳輸過程包括:網(wǎng)絡(luò)建立過程中簇首選擇過程、中繼點(diǎn)選擇，時(shí)隙分配，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段的簇首卸任和任命新簇首、中繼點(diǎn)卸任和任命新中繼點(diǎn)，數(shù)據(jù)的采集融合與匯聚，整個(gè)流程參見圖3。
[0059]本實(shí)施方式效果:
[0060]本實(shí)施方式提出了一種非均勻扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(UnequalFanshaped Cluster-based Routing Protocol,UFC),其本質(zhì)是利用非均勻分族實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中能量消耗的均衡。整個(gè)路由的組織采用了多跳方式的簇間通信(包括和Sink點(diǎn)通信)和單跳方式的簇內(nèi)通信，基于分簇的層次式路由算法通過把傳感器節(jié)點(diǎn)組合成小的集群，其中每個(gè)簇內(nèi)各傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)首先被發(fā)送到簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮融合，減少數(shù)據(jù)傳輸量。
[0061]本實(shí)施方式提出了一種應(yīng)用于匯聚點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中心的非均勻扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，用于緩解臨近匯聚點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能耗負(fù)擔(dān)過重的問題。臨近匯聚點(diǎn)的能量瓶頸區(qū)域直接傳輸采集數(shù)據(jù)給匯聚點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流作為中繼點(diǎn)傳輸外圍采集的數(shù)據(jù)到匯聚點(diǎn)，同時(shí)外圍區(qū)域以扇形劃分不同的層形成大小不同的簇，每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送到的簇首，在簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，然后以多跳方式把數(shù)據(jù)送到匯聚點(diǎn)，通過調(diào)整能量瓶頸區(qū)和各層的半徑大小來均衡每個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)平均能耗，使整個(gè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)生命周期更接近，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
[0062]1、不是在每個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后再次重新選擇簇首和中繼點(diǎn)，是由簇首或中繼點(diǎn)自己判斷能量情況決定是否卸任；減少了重新競(jìng)選簇首頻率，節(jié)省了競(jìng)選簇首和中繼點(diǎn)所耗費(fèi)的能量；
[0063]2、接近匯聚點(diǎn)的瓶頸區(qū)域(第一層區(qū)域)內(nèi)節(jié)點(diǎn)不分簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是直接發(fā)送采集數(shù)據(jù)給匯聚點(diǎn)，由匯聚點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理；
[0064]3、在重新競(jìng)選中繼點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)過程中，更多的讓匯聚點(diǎn)參與進(jìn)來，分擔(dān)部分通信的能量消耗。
[0065]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述步驟一中監(jiān)控區(qū)域是以匯聚點(diǎn)S為圓心，半徑為L(zhǎng)的圓形區(qū)域。
[0066]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0067]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述步驟三中把傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸模式分成兩種:1)半徑Cl1范圍內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)，直接發(fā)送數(shù)據(jù)給匯聚點(diǎn)S，同時(shí)擔(dān)任中繼節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)外圍傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)；2)在以Cl1為半徑的圓以外區(qū)域，以不同的半徑劃分大小不等的環(huán)形區(qū)域，在這些區(qū)域中，采用分簇算法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各傳感器節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)匯聚到簇首后先進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后再發(fā)往上級(jí)簇首或中繼點(diǎn)，通過多跳方式發(fā)送數(shù)據(jù)到匯集點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分層處理，靠近匯聚點(diǎn)的是I層，向外側(cè)分別是2層、3層……，以此類推，匯聚節(jié)點(diǎn)知道每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置和ID。
[0068]要使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有最大的生命周期，則應(yīng)使每個(gè)簇的生命周期相同，即每個(gè)任務(wù)循環(huán)平均到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上消耗的能量相等，可以解決匯聚點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中心處的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量消耗不均衡的問題，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)生命周期趨于相同，避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)過早死亡導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)功能過早失效。
[0069]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0070]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:所述步驟一中監(jiān)控區(qū)域內(nèi)共計(jì)有N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，分布在半徑為&的圓形區(qū)域內(nèi)，把整個(gè)區(qū)域平均分為m個(gè)扇形區(qū)域，每個(gè)扇區(qū)的面積為π RL2/m,包含N/m個(gè)節(jié)點(diǎn)，則單位面積中節(jié)點(diǎn)平均個(gè)數(shù)Nh=N/JiRi監(jiān)控區(qū)域按照距離匯聚點(diǎn)的遠(yuǎn)近劃分成L層，每層的半徑分別為
R1, R2, R3......Rl^則在一個(gè)扇區(qū)中，各層中每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N1HN1, N2,...Nl, 0<1 ( L}如
下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法，其特征在于基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法具體步驟為: 步驟一:監(jiān)控區(qū)域分簇區(qū): 整個(gè)監(jiān)控區(qū)域分成m個(gè)扇形區(qū)域，η個(gè)環(huán)形層，靠近匯聚點(diǎn)的第一層不形成簇，總計(jì)有m* (η-1)個(gè)分簇區(qū)； 步驟二:網(wǎng)絡(luò)建立階段中繼點(diǎn)選擇: 匯聚點(diǎn)首先向Cl1半徑范圍內(nèi)的能量瓶頸區(qū)域的節(jié)點(diǎn)發(fā)送競(jìng)選條件，滿足能量條件的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求給匯聚點(diǎn)，匯聚點(diǎn)根據(jù)劃分的m個(gè)扇形區(qū)域的每個(gè)區(qū)域中選擇出一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，首次選擇能量值最高的節(jié)點(diǎn)，如果多個(gè)相同能量節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)選出一個(gè)作為中繼點(diǎn)； 步驟三:網(wǎng)絡(luò)建立階段簇首選擇: 匯聚點(diǎn)S向第二層內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播其所在簇的中繼節(jié)點(diǎn)并發(fā)出競(jìng)選條件，即能量閥值ET2i;符合條件的傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)位置和能量值給所對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)，中繼點(diǎn)在對(duì)應(yīng)扇區(qū)第二層簇區(qū)內(nèi)選擇距離自身最近的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)H2i，并匯報(bào)給匯聚點(diǎn)；匯聚點(diǎn)向第三層內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播第二層簇首節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)果，并發(fā)出第三層內(nèi)選擇簇首的競(jìng)選條件，符合條件的第三層內(nèi)節(jié)點(diǎn)向第二層簇首上報(bào)能量值，由第二層簇首選擇出符合條件的距離自己最近的第三層節(jié)點(diǎn)作為第三層中的簇首H3i;以此類推選出各層中每個(gè)簇的簇首節(jié)點(diǎn)； 步驟四:時(shí)隙分配: 匯聚點(diǎn)為所有中繼點(diǎn)、匯聚點(diǎn)以及瓶頸區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分配通信時(shí)隙，中繼點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)為與其通信的節(jié)點(diǎn)分配時(shí)`隙，采用任務(wù)循環(huán)的方式進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)在不需要通信時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)； 步驟五:網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定階段中繼點(diǎn)卸任與繼任: 當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的中繼點(diǎn)Rij的能量低于PkE (Rij start)時(shí)，即Ι^〈ρκΕ (Rij start)，其中ρκ表示剩余百分比，i表示所在層數(shù)，j表示所在分區(qū)數(shù)，E(RiLstart)表示最初競(jìng)選成為中繼點(diǎn)時(shí)此節(jié)點(diǎn)的能量值，中繼點(diǎn)在此次任務(wù)循環(huán)結(jié)束后卸任，首先中繼點(diǎn)發(fā)出卸任申請(qǐng)給匯聚點(diǎn)，由匯聚點(diǎn)發(fā)出競(jìng)選通知給此中繼點(diǎn)所在的扇區(qū)Dlj內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，此區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)開始競(jìng)選新的中繼節(jié)點(diǎn)，其中達(dá)到能量閥值且距離匯聚點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)被任命為此區(qū)域內(nèi)新的中繼點(diǎn)，匯聚點(diǎn)會(huì)向第二層內(nèi)的對(duì)應(yīng)簇區(qū)的簇首發(fā)出通知，告知新的中繼點(diǎn)的ID號(hào)，新中繼點(diǎn)占用原中繼點(diǎn)發(fā)送接收時(shí)隙，不重新進(jìn)行時(shí)隙分配，新任中繼點(diǎn)發(fā)出通知給下一級(jí)的簇首進(jìn)行通信； 步驟六:簇首卸任與繼任: 當(dāng)一個(gè)簇首Hij的能量低于pHE (Hij start)時(shí)，即E (Hij) <pHE (Hij start),在這個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后此簇首卸任，其中Ph表示能量剩余百分比，E(HU start)表示最初競(jìng)選成為簇首時(shí)此簇首節(jié)點(diǎn)的能量值，首先簇首發(fā)出卸任通知給上一級(jí)簇首或中繼點(diǎn)和下一級(jí)簇首，由上一級(jí)簇首或中繼點(diǎn)發(fā)出競(jìng)選通知，此簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行競(jìng)選，其中達(dá)到能量閥值且距離上一級(jí)簇首最近的節(jié)點(diǎn)成為簇首，由上一級(jí)簇首向其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播通知，告知新簇首的ID號(hào)，新簇首再發(fā)出通知給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和下一級(jí)簇首節(jié)點(diǎn)，告知自己的位置和分配通信時(shí)隙給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)； 如果多個(gè)在同一扇區(qū)內(nèi)的簇在同一個(gè)任務(wù)循環(huán)結(jié)束后卸任，卸任的順序由外向內(nèi)進(jìn)行，繼任的次序由內(nèi)向外進(jìn)行，當(dāng)舊簇首或者中繼點(diǎn)卸任，新簇首或中繼點(diǎn)繼任后，返回步驟五重新進(jìn)行分配時(shí)隙，其中不需要所有時(shí)隙都重新分配，只需要重新分配新任簇首的簇內(nèi)通信時(shí)隙； 步驟七:數(shù)據(jù)的采集和融合: 每個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)送至簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合； 步驟八:數(shù)據(jù)傳輸: 融合后的數(shù)據(jù)通過多跳傳輸方式由外向內(nèi)傳輸，最后匯聚到匯聚點(diǎn)處，每進(jìn)行完一個(gè)任務(wù)循環(huán)，返回步驟五和六進(jìn)行判斷，即完成了一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法，其特征在于所述步驟一中監(jiān)控區(qū)域是以匯聚點(diǎn)S為圓心，半徑為L(zhǎng)的圓形區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法，其特征在于所述把傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸模式分成兩種:1)半徑Cl1范圍內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)，直接發(fā)送數(shù)據(jù)給匯聚點(diǎn)S，同時(shí)擔(dān)任中繼節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)外圍傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)；2)在以Cl1為半徑的圓以外區(qū)域，以不同的半徑劃分大小不等的環(huán)形區(qū)域，在這些區(qū)域中，采用分簇算法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各傳感器節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)匯聚到簇首后先進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后再發(fā)往上級(jí)簇首或中繼點(diǎn)，通過多跳方式發(fā)送數(shù)據(jù)到匯集點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分層處理，靠近匯聚點(diǎn)的是I層，向外側(cè)分別是2層、3層……，以此類推，匯聚節(jié)點(diǎn)知道每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置和ID。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于扇形分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的通信方法，其特征在于所述監(jiān)控區(qū)域內(nèi)共計(jì)有N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，分布在半徑為片的圓形區(qū)域內(nèi)，把整個(gè)區(qū)域平均分為m個(gè)扇形區(qū)域，每個(gè)扇區(qū)的面積為πrl2/m，包含N/m個(gè)節(jié)點(diǎn)，則單位面積中節(jié)點(diǎn)平均個(gè)數(shù)Nh=N/ π Rl2,監(jiān)控區(qū)域按照距離匯聚點(diǎn)的遠(yuǎn)近劃分成L層，每層的半徑分別為R1, R2, R3......Rl,則在一個(gè)扇區(qū)中，各層中每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N1={N1, N2,...Nl, 0<1≤ L}如下:
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103781147SQ201410064235
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】白旭, 張佳巖, 高玉龍, 吳少川, 張士偉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)