專利名稱：無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量廉價的、低功耗的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點監(jiān)測和感應(yīng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多種環(huán)境信息，并將收集到的信息經(jīng)過簡單處理后提供給遠程的終端用戶。 傳感器節(jié)點有著嚴(yán)格的能量限制，并且難以進行能量補充，根據(jù)具體應(yīng)用的要求，這些節(jié)點需要連續(xù)工作幾個月甚至幾年，因此，如何合理地利用能量是設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的首要問題。將傳感器節(jié)點組織成簇的形式可以有效地減少能量消耗，許多能量高效的路由協(xié)議都是在簇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的其中包括LEACH、PEGASIS、EEUC等。
LEACH是一種分布式的分簇協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)的工作周期被分為若干輪，所有節(jié)點輪流擔(dān)任簇首以達到能量均衡消耗的目的。在簇生成階段，每個節(jié)點產(chǎn)生一個0-1之間的隨機數(shù)， 并根據(jù)當(dāng)前輪數(shù)計算出一個門限值，如果某節(jié)點在前l(fā)/p(p為簇首的比率)輪內(nèi)未擔(dān)任過簇首，并且隨機數(shù)小于門限值，則該節(jié)點成為簇首，然后，簇首向所有節(jié)點廣播自己成為簇首的消息，普通節(jié)點則根據(jù)接收到的廣播信號的強度來判斷自己與簇首的距離，并以簇成員的身份加入與之最近的簇。LEACH協(xié)議中簇首的選擇是隨機的，每輪選出的簇首數(shù)量相差很大，且分布不均勻，無法做到最優(yōu)。PEGASIS協(xié)議根據(jù)節(jié)點的地理位置，采用貪婪算法將所有的節(jié)點連接成鏈狀，隨機選擇一個節(jié)點作為頭節(jié)點，鏈兩端數(shù)據(jù)沿鏈傳輸?shù)筋^結(jié)點，并在傳輸過程中進行融合，最后由頭節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。由于相鄰節(jié)點間的距離近似最短，每個節(jié)點都能以較小的功率發(fā)送數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)融合后只生成一個數(shù)據(jù)包，減少了與基站的通信量，因此，PEGASIS能顯著地延長網(wǎng)絡(luò)的生存期，但它需要全局的地理位置信息，并且具有很大的時延。EEUC是一種非均勻的分簇算法，簇間采用多跳通信的方式，靠近基站的簇首承擔(dān)了更多的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，其能量消耗更快。為了均衡簇首的能量消耗，分簇時靠近基站的簇具有較小的競爭半徑，使得其簇成員數(shù)目相對較少，以節(jié)省簇首能量供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時使用。該協(xié)議考慮了簇首能量消耗不均衡的問題，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗，但控制較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法，以便能夠顯著延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。本發(fā)明的實現(xiàn)上述目的的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法包括以下步驟當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，基站通過發(fā)送廣播信號，啟動網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點運行；網(wǎng)絡(luò)中每個啟動的節(jié)點計算自己成為簇首的閾值；將網(wǎng)絡(luò)中剩余能量大于或等于網(wǎng)絡(luò)平均能量且生成的隨機數(shù)小于閾值的節(jié)點選
3作簇首；簇首向全網(wǎng)廣播自己的簇首消息，每個普通節(jié)點收到簇首消息后，根據(jù)接收信號的強度計算它與簇首的距離，并加入與之最近的簇，成為簇成員；簇首給每個簇成員分配TDMA時隙，使每個簇成員按照分配的時隙通信。其中，所述閾值按如下公式計算TCH = Pm
E其中，Pinit為初始概率值，其值固定不變，EMsidual為節(jié)點的剩余能量，云為網(wǎng)絡(luò)平均能量°本發(fā)明的方法還包括選擇與基站距離較近且具有較高能量的簇首作為中繼節(jié)點的步驟，該中繼節(jié)點接收其它簇首發(fā)來的幀，融合后發(fā)往基站。其中，簇首根據(jù)接收基站廣播信號的強度，計算簇首與基站的距離。其中，網(wǎng)絡(luò)中的每個簇首根據(jù)自己距離基站的距離與自己剩余能量的比值，得到其費用，并將費用最小的簇首選作中繼節(jié)點。其中，每個簇成員根據(jù)自己與簇首的距離調(diào)整發(fā)射功率，使發(fā)射功率與距離成正比。其中，簇成員在分配給的時隙之外的時間，關(guān)閉發(fā)射電路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)先選擇剩余能量較多的節(jié)點作為簇首，并采用簇間轉(zhuǎn)發(fā)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，仿真結(jié)果表明，使用本發(fā)明的方法，能夠顯著地延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，其性能明顯優(yōu)于LEACH協(xié)議。


圖1是顯示本發(fā)明的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法的示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明，應(yīng)當(dāng)理解，以下所說明的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1顯示了本發(fā)明的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法，包括以下步驟當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，基站通過發(fā)送廣播信號，啟動網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點運行；網(wǎng)絡(luò)中每個啟動的節(jié)點計算自己成為簇首的閾值；將網(wǎng)絡(luò)中剩余能量大于或等于網(wǎng)絡(luò)平均能量且生成的隨機數(shù)小于閾值的節(jié)點選作簇首；簇首向全網(wǎng)廣播自己的簇首消息，每個普通節(jié)點收到簇首消息后，根據(jù)接收信號的強度計算它與簇首的距離，并加入與之最近的簇，成為簇成員；簇首給每個簇成員分配TDMA時隙，使每個簇成員按照分配的時隙通信。本發(fā)明的閾值按如下公式計算Tch = Pimt
E其中，Pinit為初始概率值，其值固定不變，EMsidual為節(jié)點的剩余能量，云為網(wǎng)絡(luò)平均能量°本發(fā)明的方法還包括選擇與基站距離較近且具有較高能量的簇首作為中繼節(jié)點的步驟，該中繼節(jié)點接收其它簇首發(fā)來的幀，融合后發(fā)往基站。一般來說，簇首根據(jù)接收基站廣播信號的強度，計算簇首與基站的距離。當(dāng)每個簇首算出自己與基站的距離后，可以得到自己成為中繼節(jié)點的費用，給費用為距離基站的距離與自己剩余能量的比值。此后，將費用最小的簇首選作中繼節(jié)點。為了較少能量消耗，每個簇成員最好應(yīng)當(dāng)根據(jù)自己與簇首的距離調(diào)整發(fā)射功率， 使發(fā)射功率與距離成正比，即距離簇首越近，發(fā)射功率就越小。此外，簇成員在分配給的時隙之外的時間，可以關(guān)閉發(fā)射電路，以便節(jié)省能量消
^^ ο下面從系統(tǒng)模型、能量有限分簇、中繼節(jié)點選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞讉€方面對本發(fā)明的方法進行詳細說明。系統(tǒng)樽型N個傳感器節(jié)點隨機均勻分布在一個正方形區(qū)域內(nèi)，周期性地收集周圍環(huán)境信息， 并且具有如下性質(zhì)①所有傳感器節(jié)點部署后不再移動，且都有一個唯一的標(biāo)識(ID)。②基站唯一，且位于離采集區(qū)域較遠的一個固定位置。③所有節(jié)點沒有安裝GPS，不知道其具體位置。④所有節(jié)點都具備數(shù)據(jù)融合功能，能夠?qū)⒍鄠€數(shù)據(jù)包壓縮成一個相同大小的數(shù)據(jù)包。⑤若已知對方的發(fā)射功率，節(jié)點可以根據(jù)接收信號的強度計算出發(fā)送方離它的近似距離。⑥節(jié)點的能量不能補充，節(jié)點可以根據(jù)它與接收方的距離，自由調(diào)整發(fā)射功率以節(jié)省能量。本文采用如下無線通信模型。當(dāng)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的距離小于閾值Cltl時，采用自由空間模型，即發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗與距離的平方成正比，否則采用多路衰減模型，即發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗與距離的四次方成正比。發(fā)送方發(fā)送k bit的數(shù)據(jù)到距離為d的接收方所消耗的能量為
r^m γ π “、 \kE—+k￡Z d<doE,{k,d) = \ 丄 t >,其中，Eelec表示發(fā)射電路消耗的能量，ε fs和ε mp為功率放大器所消耗的能量，d0
為常量。節(jié)點接收k bit的數(shù)據(jù)所消耗的能量為Et (k) =KEelec將m個長度為k的數(shù)據(jù)包融合所消耗的能量為Et (m，k) =HikEfution其中，Efuti。n為融合Ibit的數(shù)據(jù)所消耗的能量。能量優(yōu)先分簾簇生成算法
能量優(yōu)先分簇法是一個分布式的分簇協(xié)議，協(xié)議按輪運行，每輪分為簇生成、中繼節(jié)點的選擇和數(shù)據(jù)傳輸三個階段。在簇生成階段，以節(jié)點的剩余能量作為簇首選擇的依據(jù)， 其閾值按如下公式計算
權(quán)利要求
1.一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法，包括以下步驟 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，基站通過發(fā)送廣播信號，啟動網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點運行； 網(wǎng)絡(luò)中每個啟動的節(jié)點計算自己成為簇首的閾值；將網(wǎng)絡(luò)中剩余能量大于或等于網(wǎng)絡(luò)平均能量且生成的隨機數(shù)小于閾值的節(jié)點選作簇首；簇首向全網(wǎng)廣播自己的簇首消息，每個普通節(jié)點收到簇首消息后，根據(jù)接收信號的強度計算它與簇首的距離，并加入與之最近的簇，成為簇成員；簇首給每個簇成員分配TDMA時隙，使每個簇成員按照分配的時隙通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述閾值按如下公式計算Erp 一 -p residual 1CH ~ rInit =E其中，Pinit為初始概率值，其值固定不變，E_idual為節(jié)點的剩余能量，云為網(wǎng)絡(luò)平均能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括選擇與基站距離較近且具有較高能量的簇首作為中繼節(jié)點，該中繼節(jié)點接收其它簇首發(fā)來的幀，融合后發(fā)往基站。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中簇首根據(jù)接收基站廣播信號的強度，計算簇首與基站的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中網(wǎng)絡(luò)中的每個簇首根據(jù)自己距離基站的距離與自己剩余能量的比值，得到其費用，并將費用最小的簇首選作中繼節(jié)點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中每個簇成員根據(jù)自己與簇首的距離調(diào)整發(fā)射功率，使發(fā)射功率與距離成正比。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中簇成員在分配給的時隙之外的時間，關(guān)閉發(fā)射電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)先的節(jié)點分簇方法，包括如下步驟當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，基站通過發(fā)送廣播信號，啟動網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點運行；網(wǎng)絡(luò)中每個啟動的節(jié)點計算自己成為簇首的閾值；將網(wǎng)絡(luò)中剩余能量大于或等于網(wǎng)絡(luò)平均能量且生成的隨機數(shù)小于閾值的節(jié)點選作簇首；簇首向全網(wǎng)廣播自己的簇首消息，每個普通節(jié)點收到簇首消息后，根據(jù)接收信號的強度計算它與簇首的距離，并加入與之最近的簇，成為簇成員；簇首給每個簇成員分配TDMA時隙，使每個簇成員按照分配的時隙通信。使用本發(fā)明的方法，能夠顯著地延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，并且其性能明顯優(yōu)于LEACH協(xié)議。
文檔編號H04W52/30GK102256267SQ201010176658
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者白云飛 申請人:北京興科迪科技有限公司