本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法。

背景技術(shù)：

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，掌握即時(shí)有效的信息對人們有著至關(guān)重要的作用。因而收集信息與數(shù)據(jù)的手段和技術(shù)得到了廣泛的開發(fā)與應(yīng)用，很多新興的信息收集技術(shù)與策略也隨之誕生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks，wsn)就是當(dāng)前最為熱門的數(shù)據(jù)收集技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有諸多優(yōu)點(diǎn)：能量消耗低、易于分布在任何環(huán)境中、造價(jià)成本低廉和可以自組織地形成無線網(wǎng)絡(luò)等。這些優(yōu)點(diǎn)使無線信息感知與采集變得空前的簡單與方便。因此，其在當(dāng)今的無線信息感知領(lǐng)域引起了一場變革，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，如在氣溫、壓力、定位等方面對周圍環(huán)境的檢測有著很高的應(yīng)用前景。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體，為了保證各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間能夠相互傳遞信息，通常在監(jiān)測區(qū)域部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，以冗余保證通信，這樣做可以避免無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被分成幾個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò)而無法完成通信。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由密集部署的靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)，各靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)采用多跳的方式把數(shù)據(jù)傳遞給靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)。多跳通信方式在節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)能量的同時(shí)也帶來了一些問題，例如：距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送自己數(shù)據(jù)的同時(shí)還要轉(zhuǎn)發(fā)其它傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這些距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗會(huì)比其它傳感器節(jié)點(diǎn)快，形成能量空洞現(xiàn)象，以致更早地死亡，無法轉(zhuǎn)發(fā)其它傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致大量的傳感器節(jié)點(diǎn)無法發(fā)揮其作用，最終使得整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于失效狀態(tài)。為此，可以在監(jiān)測區(qū)域設(shè)置一個(gè)可以移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)(sink)，當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到一個(gè)地點(diǎn)，就發(fā)出收集信息的命令，收到命令的傳感器節(jié)點(diǎn)若在移動(dòng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的單跳范圍內(nèi)，就將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，由于是單跳通信，該傳感器節(jié)點(diǎn)不需要轉(zhuǎn)發(fā)其它傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)從而節(jié)省了能量，延長了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時(shí)，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)附近的傳感器節(jié)點(diǎn)隨著時(shí)間的變化而變化，在某種程度上平衡了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，相比了靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)大大延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

目前，基于移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議在平衡能量消耗和延長無線傳感網(wǎng)絡(luò)生命周期取得了很好的效果，但是依然存在一些缺陷，例如：第一，有些基于移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議采用隨機(jī)移動(dòng)策略，增加了數(shù)據(jù)采集路徑維護(hù)開銷，會(huì)消耗大量能量；第二，有些基于移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議采用劃分網(wǎng)格或分簇的方法，但沒有考慮所劃分的網(wǎng)格數(shù)或簇?cái)?shù)是否為最優(yōu)，傳感器節(jié)點(diǎn)在通信過程中會(huì)浪費(fèi)很多不必要的能量；第三，有些路由協(xié)議中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)頻繁地移出自適應(yīng)區(qū)域，其位置信息則需要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行洪泛，位置更新會(huì)產(chǎn)生較大的能耗和時(shí)延。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種具有移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，消除了能量空洞的現(xiàn)象，減輕了網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載，提高了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種具有移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，運(yùn)用粒子群算法將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)區(qū)域，使用類似聚類算法在每個(gè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭，然后通過hello、message-s和message-h報(bào)文三種數(shù)據(jù)報(bào)文確定與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)通信的簇頭。

較佳地，選簇頭的方法為：

s1根據(jù)每個(gè)簇中各傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出該簇所在區(qū)域的重心坐標(biāo)，計(jì)算簇內(nèi)各傳感器節(jié)點(diǎn)到重心坐標(biāo)的距離；同時(shí)計(jì)算每個(gè)簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量；

s2將與重心距離最近的傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量與簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量進(jìn)行比較，若所述傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量大于或等于所述平均剩余能量，則將所述傳感器節(jié)點(diǎn)選為簇頭；否則，丟棄所述傳感器節(jié)點(diǎn)；

s3在剩余的各傳感器節(jié)點(diǎn)中找出下一個(gè)與重心距離最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，然后重復(fù)步驟s2。

較佳地，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中廣播hello消息包，接收到hello包的簇頭計(jì)算其簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量，并將其簇所對應(yīng)的區(qū)域號以及自身位置信息放入hello包中返回給移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)；移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)通過收到的hello消息包比較各個(gè)簇的平均剩余能量，選擇平均剩余能量最大的簇進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

較佳地，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)與簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播message-s消息包，message-s消息包包含所選簇頭所在的區(qū)域號；接收到message-s包的簇頭比較message-s包中的區(qū)域號和自己的區(qū)域號是否相同，如果不同，丟棄該message-s包；如果相同，則向簇內(nèi)其余傳感器節(jié)點(diǎn)廣播信息，按照時(shí)分多址方法分配時(shí)隙表；簇內(nèi)其余傳感器節(jié)點(diǎn)在時(shí)分多址方法分配時(shí)隙表分給自己的時(shí)隙中發(fā)送message-h數(shù)據(jù)包給自己的簇頭，在其余時(shí)間關(guān)閉自己的電臺，處于休眠的狀態(tài)；簇頭對收集到的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)累積和融合；當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到該簇頭附近時(shí)，該簇頭把數(shù)據(jù)傳送給移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，(1)在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬分簇時(shí)，該協(xié)議釆用粒子群算法思想，構(gòu)建若干個(gè)均衡的虛擬簇，并考慮了各個(gè)簇組均勻度和節(jié)點(diǎn)的剩余能量，因此，本發(fā)明路由協(xié)議可以在盡量減少整體能耗的同時(shí)均衡各節(jié)點(diǎn)的能耗；(2)在每輪通信時(shí)根據(jù)類似聚類的算，,結(jié)合離簇的重心距離和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均能量選擇簇頭，以此使各個(gè)簇上的節(jié)點(diǎn)均衡地消耗能量；(3)考慮到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)和各個(gè)簇頭直接的通信，減少網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)。

附圖說明

圖1是適用本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖；

圖2是本發(fā)明hello數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中message-s數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中message-h數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明具有移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法的多種實(shí)施方式。因此，以下具體實(shí)施方式和附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。

本發(fā)明具有移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，首先，運(yùn)用粒子群算法將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)區(qū)域，使用類似聚類算法在每個(gè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭，確定簇頭時(shí)結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)與簇所在區(qū)域重心的距離和簇所在區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量的大小；然后通過hello、message-s和message-h報(bào)文三種數(shù)據(jù)報(bào)文確定與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)通信的簇頭。

一、分簇

步驟a、使用粒子群算法對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬分簇：

假設(shè)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共有n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，計(jì)劃將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分割為m個(gè)簇，則每個(gè)簇中含有n/m個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。分簇前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)向基站廣播自己的狀態(tài)報(bào)文信息，包括位置信息和能量信息；基站收到狀態(tài)報(bào)文信息后，根據(jù)各傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息和能量信息使用粒子群算法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇。具體過程為：

首先，用分割線將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分割成具有相同傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的區(qū)域，所述分割線表達(dá)如公式(1)所示：

l＝(x,y,θx,θy)(1)

公式(1)中，x,y,θx,θy分別為粒子的四個(gè)參數(shù)，(x,y)為位于分割線上的傳感器節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；θx為分割線與x軸的夾角；θy為分割線與y軸的夾角；

對分割線的四個(gè)參數(shù)隨機(jī)賦予k組值，共由式(1)確定k個(gè)分割線。

然后，利用粒子群算法在k個(gè)分割線中去頂確定一條最優(yōu)的分割線，過程為：

s1，定義k個(gè)粒子，k個(gè)粒子代表k個(gè)分割線；確定k個(gè)不同的適應(yīng)值f，與上次搜索得到的最小的適應(yīng)值f進(jìn)行比較并取最小值，與最小值對應(yīng)的粒子可以作為全局極值ρgd；同理，比較單個(gè)粒子的適應(yīng)值，取最小適應(yīng)值對應(yīng)的粒子作為個(gè)體極值ρid，然后通過下式更新四個(gè)參數(shù)；

xxid(t+1)＝xxid(t)+vxid(t)

xyid(t+1)＝xyid(t)+vyid(t)(2)

其中，xxid，xyid為粒子的位置；xθid為分割線與x軸的夾角；vxid，vyid，vθid為粒子在x,y,θx,θy四個(gè)維度上的搜索速度，t為迭代次數(shù)，由下式可以確定：

vxid(t+1)＝ωvxid(t)+c1rand()(ρid(t)-xxid(t))+c2rand()(ρgd(t)-xxid(t))

vyid(t+1)＝ωvyid(t)+c1rand()(ρid(t)-xyid(t))+c2rand()(ρgd(t)-xyid(t))

(3)

其中，c1，c2為學(xué)習(xí)因子，通常c1＝c2＝2；rand()為(0，1)之間的隨機(jī)數(shù)；ρid為局部最小適應(yīng)值；ρgd為全局最小適應(yīng)值；ω為權(quán)重因子。

s2，粒子得到新的(x,y,θx,θy)后，代入公式(1)進(jìn)行搜索，直至滿足公式(4)值為0或者達(dá)到最大搜索次數(shù)時(shí)退出。此時(shí)可以整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知區(qū)域被最優(yōu)分割成兩個(gè)規(guī)模相等的子區(qū)域。

其中，ci(i＝1,2)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知區(qū)域i中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，mi為區(qū)域i期望的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目，esum為傳感器節(jié)點(diǎn)的總能量，ei為區(qū)域i中傳感器節(jié)點(diǎn)總能量。

s3,將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知區(qū)域首次分割成兩個(gè)規(guī)模相等的子區(qū)域后，重復(fù)步驟s1和s2，直至將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知區(qū)域劃分為m個(gè)子區(qū)域，獲得m個(gè)簇。

二、選簇頭

傳感器網(wǎng)絡(luò)被分為m個(gè)簇后，需在每個(gè)簇中選擇一個(gè)簇頭。具體過程為：

首先，根據(jù)每個(gè)簇(區(qū)域)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出該區(qū)域的重心坐標(biāo)(xc,yc)，計(jì)算方法如式(6)，

其中，(xi,yi)為簇中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

其次、計(jì)算簇內(nèi)各傳感器節(jié)點(diǎn)到重心節(jié)點(diǎn)的距離，設(shè)簇內(nèi)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi,xj)，則節(jié)點(diǎn)到重心的距離d的計(jì)算方法見式(7)，

最后、對于k個(gè)簇，分別計(jì)算各個(gè)簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量，取出與重心距離最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，然后將此傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量與簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量進(jìn)行比較，若此傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量大于或等于簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)平均剩余能量，則此將此傳感器節(jié)點(diǎn)選為簇頭；否則，放棄該傳感器節(jié)點(diǎn)，取出下一個(gè)與重心距離最近的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行前述比較，直至找出一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)滿足其本身剩余能量大于簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量為止，此傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭；

三、移動(dòng)匯聚節(jié)對簇頭的訪問

當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)訪問完所有的簇頭后，則一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，為了平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，需要在各簇中重新選出簇頭，進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)傳輸。匯聚節(jié)點(diǎn)訪問到所有簇頭的每一輪數(shù)據(jù)傳輸周期為t，周期t的計(jì)算方法見公式(8)，

其中，其中(xi,yi)為簇頭坐標(biāo),k為簇頭的個(gè)數(shù),v是移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度。

這樣，一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)建完成了。

本發(fā)明中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)通過以步驟實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸：

1、移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方式：

當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)靠近一個(gè)分簇的區(qū)間時(shí)，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)靜止地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)采用能量可控移動(dòng)策略且在有限跳數(shù)范圍內(nèi)廣播消息；

2、移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播消息包，將進(jìn)行如下操作：

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播hello消息包，接收到hello包的簇頭計(jì)算其簇內(nèi)的平均剩余能量，并將其簇所對應(yīng)的區(qū)域號以及自身位置信息放入hello包中，再返回給移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)；

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)通過hello包比較各個(gè)簇的平均剩余能量，選擇平均剩余能量最大的簇進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

3、移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)與簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將進(jìn)行如下操作：

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播message-s消息包，message-s消息包包含所選簇頭所在的區(qū)域號；

接收到message-s包的簇頭比較message-s包中的區(qū)域號和自己的區(qū)域號是否相同，如果不同，丟棄該message-s包；如果相同則進(jìn)行如下操作：

向該簇內(nèi)其余普通傳感器節(jié)點(diǎn)周圍廣播信息，按照時(shí)分多址方法分配時(shí)隙表；

簇內(nèi)成員采集信息，并在時(shí)分多址方法分配時(shí)隙表分給自己的時(shí)隙中，發(fā)送message-h數(shù)據(jù)包給自己的簇頭，在其余時(shí)間關(guān)閉自己的電臺，處于休眠的狀態(tài)；

簇頭立即對收集到的所有的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的累積和融合，將單個(gè)信號合成一個(gè)整體信號，這樣能夠加強(qiáng)公共信號和削弱信號間的不相干噪聲；

當(dāng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到簇頭附近時(shí)，該簇頭把數(shù)據(jù)傳送給移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)。