本發(fā)明涉及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的能耗均衡快速分簇方法，基于無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制，屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術領域。

背景技術：

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一種綜合了無線通信技術、傳感器技術、嵌入式分布計算技術及智能信息處理等技術的新型測控網(wǎng)絡，能夠協(xié)作地對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息進行實時監(jiān)測、感知和采集并傳送給用戶。

目前的分簇拓撲算法在簇的形成和簇頭選舉上會消耗較多的能量，尤其是在拓撲結構變化較小的網(wǎng)絡中，容易造成遠近節(jié)點得能耗不均衡，部分節(jié)點過早耗盡能量。另外，采用簇內(nèi)多跳法進行維護很容易造成子節(jié)點接收時間過長，能量效率較低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有分簇算法的能耗不均衡，節(jié)點接收時間長，能量利用率低等不足問題，提出一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的能耗均衡快速分簇方法。

為達到上述目的，本發(fā)明的構思如下：

本發(fā)明包含快速分簇拓撲結構建立和數(shù)據(jù)收集兩個階段；快速分簇拓撲結構建立階段通過成簇參數(shù)來獲得網(wǎng)絡中所有節(jié)點的信息，并基于該成簇參數(shù)來構建快速分簇的網(wǎng)絡拓撲結構，將簇內(nèi)節(jié)點分為兩類：一類靠近簇頭，可以直接與簇頭通信；另一類離簇頭較遠，通過第一類節(jié)點的中轉(zhuǎn)才能與簇頭通信；采用這種多跳方法平衡節(jié)點的發(fā)射能耗，使較遠節(jié)點不需要大功率發(fā)送信息。網(wǎng)絡經(jīng)過簇的建立后，進入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收集階段。數(shù)據(jù)收集階段分為同步階段、外層工作階段與內(nèi)層工作階段。在同步階段，簇頭發(fā)布攜帶控制命令的同步信號，所有節(jié)點以此為時鐘基準；在外層工作階段，外層的奇子區(qū)和偶子區(qū)交替地將數(shù)據(jù)發(fā)往內(nèi)層相關的父節(jié)點；在內(nèi)層工作階段，內(nèi)層節(jié)點將自身的和中轉(zhuǎn)的所有信息按照時隙依次地發(fā)給匯聚節(jié)點。簇頭將內(nèi)外層節(jié)點控制處理好后，還將外層分為不同的子區(qū)，并標記為奇數(shù)和偶數(shù)子區(qū)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時形成空間隔離，不互相干擾；同時子區(qū)的位置和大小容易控制，在時序控制上容易實現(xiàn)。

根據(jù)上述構思，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的能耗均衡快速分簇方法，包括如下步驟：

步驟一，快速分簇拓撲結構建立：通過節(jié)點間的信息交換來構建一個網(wǎng)絡拓撲結構，由簇頭和傳感器互相協(xié)作完成，分為兩步進行：

（1）內(nèi)層通信模塊劃分：簇頭發(fā)出命令后根據(jù)返回的RSSI值大小，劃分出內(nèi)層節(jié)點，并對它們的相對位置進行編號；

（2）外層通信模塊劃分：簇頭命令每個內(nèi)層節(jié)點對外廣播RSSI測試信息，根據(jù)收集到的反饋信息，定義每一內(nèi)層節(jié)點與外層節(jié)點之間的聯(lián)通關系，并由此關系定義各個子區(qū)；

步驟二，數(shù)據(jù)收集：快速分簇拓撲網(wǎng)絡結構經(jīng)過建立完成后，開始進入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收集階段，數(shù)據(jù)收集階段分為同步階段、外層工作階段與內(nèi)層工作階段共三個階段：

（1）同步階段：簇頭發(fā)布同步信號，傳到內(nèi)層通信模塊和外層通信模塊，兩個模塊做好反饋信息的準備；

（2）外層工作階段：上一步中，將外區(qū)劃分好過后分別編號，根據(jù)編號劃分奇子區(qū)和偶子區(qū)，同時外層的奇子區(qū)和偶子區(qū)交替地將數(shù)據(jù)發(fā)往內(nèi)層相關的父節(jié)點，防止子區(qū)之間的相互干擾；

（3）內(nèi)層工作階段：內(nèi)層節(jié)點將自身的和中轉(zhuǎn)的所有信息按照時隙依次地發(fā)給匯聚節(jié)點。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下突出的實質(zhì)性特點和顯著的優(yōu)點：

本發(fā)明方法針對拓撲結構變化較小的網(wǎng)絡，采用了快速分簇和并行傳輸相結合的方法，，既避免了在拓撲網(wǎng)絡結構建立時頻繁選舉簇頭的能量損耗，又避免了分簇結構之間的互相干擾問題。當分簇拓撲建立時，將能量較多的簇頭按比例均勻部署在網(wǎng)絡中，可以避免繁復的選舉簇頭浪費能量，充分發(fā)揮高能量簇頭的功能優(yōu)勢，對簇內(nèi)節(jié)點有序控制，從而達到能耗均衡的目的。本方法能有效節(jié)省網(wǎng)絡能量消耗，延長網(wǎng)絡生命周期，并能有效避免簇間干擾。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述快速分簇拓撲結構建立示意圖，其中（a）為內(nèi)外層節(jié)點劃分示意圖，（b）為子區(qū)建立示意圖，（c）為子區(qū)分布圖。

圖2為本發(fā)明所述快速分簇拓撲結構建立方法流程圖。

圖3為本發(fā)明所述數(shù)據(jù)收集的時隙控制圖，其中（a）為奇時隙工作子區(qū)，（b）為偶時隙工作子區(qū)，（c）數(shù)據(jù)收集階段時隙控制圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和具體實施例進一步闡述本發(fā)明。

首先介紹RSSI的定義：接收的信號強度指示，用來判定鏈接質(zhì)量，內(nèi)外層節(jié)點區(qū)分的依據(jù)，以及是否增大廣播發(fā)送強度。

TDMA：時分多址的時隙分配方法。

一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的能耗均衡快速分簇方法，包括如下步驟：

步驟一：快速分簇拓撲結構的建立，分為內(nèi)層區(qū)域劃分和外層子區(qū)域劃分，具體劃分方法參考圖1和圖2：

步驟1：簇頭發(fā)出廣播“RSSI值大于K的成員請應答”命令；

步驟2：圖1（a）中a8距離A較近，RSSI值較大，符合步驟1的要求，a8節(jié)點對簇頭進行應答，b14距離較遠，RSSI值未達到要求，則舍去；

步驟3；所有點的確定方法與步驟2相同，簇頭收到應答信息后再次發(fā)送確認內(nèi)層節(jié)點的信息；

步驟4：簇頭命令內(nèi)層節(jié)點廣播RSSI測試信息，根據(jù)收到的RSSI值確定內(nèi)層節(jié)點成員位置排序，如圖1（a）中a1-a8；

步驟5：簇頭選擇地址編號最小的內(nèi)層節(jié)點如a1對外廣播RSSI測試信息，并監(jiān)測應答信息并反饋給簇頭A，如圖1（b）箭頭表示；

步驟6：重復步驟5，直到所有內(nèi)層節(jié)點都廣播一遍RSSI測試信息并反饋給簇頭；

步驟7：簇頭根據(jù)步驟5、6反饋的信息確定內(nèi)層節(jié)點和外層節(jié)點間的聯(lián)通關系；

步驟8：簇頭由步驟7確定的聯(lián)通關系劃分外層子區(qū)，為了防止負載過重，每個子區(qū)的整體節(jié)點數(shù)目不超過3，按照該規(guī)則得出圖1（b）的子區(qū)；

步驟9：簇頭發(fā)布子區(qū)分布結果，如圖1（c）所示，快速分簇方法見圖2。

步驟二：異快速分簇拓撲結構建立完成后，進入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收集控制階段，數(shù)據(jù)收集控制階段的工作時序具體步驟參考圖3。

步驟1：簇頭給內(nèi)層節(jié)點和外層節(jié)點發(fā)布帶有控制命令的同步信號作為時鐘基準；

步驟2：如圖3(a)中，子區(qū)1中a1對b1、b16收集數(shù)據(jù)，子區(qū)3中a3對b4、b5收集數(shù)據(jù)，也就是說，奇數(shù)子區(qū)可以同時收集自己的數(shù)據(jù)；而2、4、6、8偶數(shù)子區(qū)這個時刻不工作。此目的是為了防止相鄰子區(qū)的無線干擾，而奇數(shù)子區(qū)之間由于相隔一定距離不會相互干擾，所以可以同時工作。收集數(shù)據(jù)按照圖3(c)時序，先實現(xiàn)外層奇數(shù)子區(qū)內(nèi)的兩個節(jié)點數(shù)據(jù)收集，由于子區(qū)包含二個節(jié)點，故占用二個時隙。

步驟3：如圖3(b)中，子區(qū)2中a2對b2、b3收集數(shù)據(jù)，子區(qū)4中a4對b6、b7收集數(shù)據(jù)，也就是說，偶數(shù)子區(qū)可以同時收集自己的數(shù)據(jù)；而1、3、5、7奇數(shù)子區(qū)這個時刻不工作。此目的是為了防止相鄰子區(qū)的無線干擾，而偶數(shù)子區(qū)之間由于相隔一定距離不會相互干擾，所以可以同時工作。收集數(shù)據(jù)按照圖3(c)時序，先實現(xiàn)外層偶數(shù)子區(qū)內(nèi)的兩個節(jié)點數(shù)據(jù)收集，由于子區(qū)包含二個節(jié)點，故占用二個時隙。

步驟4：內(nèi)層節(jié)點將接收到的所有外層節(jié)點數(shù)據(jù)信息以時隙分配方式按照節(jié)點編號依次發(fā)送給簇頭A。