CN101729331A - 成簇方法与装置、簇头与基站的路由方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了成簇方法与装置、簇头与基站的路由方法与装置，属于无线传感器网络技术领域。成簇方法包括：将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID；在每个区域内选择一个代理节点，代理节点通知区域内节点自己成为代理；代理节点接收区域内节点发送的节点状态信息；代理节点根据该信息在区域内选择一个节点为簇头，区域成为一个簇。路由方法包括：从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站；根据簇内区域ID确定簇头的梯度，使数据沿着梯度递减的方向向选定基站传递；源簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；中间跳簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据。

Description

成簇方法与装置、簇头与基站的路由方法与装置

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种成簇方法与装置、簇头与基站的路由方法与装置。

背景技术

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是一种综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的多跳移动性对等网络，一般由一个或多个基站(Sink节点)和大量部署于监测区域、配有各类传感器的无线网络节点构成。每个节点成本低，功耗小，具有一定计算处理能力、通信能力。WSN采用无线通信的方式动态组网，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，并最终传送到需要这些信息的用户。虽然单个节点采集数据并不精确，也不可靠，但是大量节点相互协作形成高度统一的网络结构，提高了数据采集的准确度和运行的可靠性，可部署于在敌占区、灾害区、核反映堆等人力不可达的特殊区域进行数据采集、传输等，具有其他网络无法比拟的特性，广泛用于国防、环境监测、智能家居等。

但是无线传感器网络不同于传统无线自组网，其节点采用通常不可替换的(不可充的)、能量有限的电池供电，计算能力、处理能力、存储能力、通信能力都有限，而且节点数目往往非常庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集，由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障，因此，传统的无线网络协议无法直接应用在无线传感器网络中。

在无线传感器网络技术中，网络拓扑控制能够自动生成良好网络拓扑结构，对于提高网络能量使用效率、延长网络生命周期、提高路由效率、减小网络延迟以及目标定位等很多方面都有重要意义。目前主要的拓扑控制技术有层次型拓扑控制。层次型拓扑控制将节点划分为多个簇，给节点赋予不同的功能角色，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。簇是具有某种关联的网络节点的集合，每个簇由一个簇头(CH，Cluster Head)和多个簇内成员(Cluster Member)组成。成员节点只向簇头发送数据，簇头收集成员节点的数据并运行数据融合算法，形成新的数据包，然后通过某种路由策略将数据发送到汇聚节点(Sink节点)。簇头通过相应算法在簇内选举产生，负责管理或控制整个簇的运行方式，协调簇成员的工作。分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对***变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络。最典型的簇头选择以及分簇方法中，每个节点根据随机数自主决定是否当选簇头，缺点是每轮产生的簇头没有确定的数量和位置，也不能保证簇头均匀分布。为解决该方法的这一不足，现有技术的改进方法一中每个节点需要把自身地理位置和当前能量报告给基站，这样就能保证簇头均匀分布。但是这样做节点通信频繁，能耗较大。另外，剩余能量是节点的重要状态信息，也是簇头竞选的重要参数。因此，现有技术的改进方法二基于节点剩余能量选择簇头，并实现了节点的均匀分布。但该方法的成簇过程需要收集区域内每个节点剩余能量等状态信息，能耗开支较大，且簇头的选择仅考虑了节点剩余能量信息，容易导致簇内平均通信距离大而能耗偏高。

在对现有技术进行分析后，发明人发现：虽然剩余能量在选择簇头过程中地位重要，但在复杂的环境下，以剩余能量为簇头竞选的首要条件显得并不充分，其他因素比如节点的地理位置信息同样举足轻重。当剩余能量最多的节点集中在某一个区域，或者比较孤立的分布在某个区域，或者多个高剩余能量的节点彼此相隔较近，则簇成员到簇头的距离较远，形成的簇并不是最优的，反而可能导致更多的能耗。

另外，发明人还发现：现有成簇算法不能对簇头进行有效监控、不能保障簇管理的鲁棒性，如果簇头因某种原因突然失效则会对网络造成不同程度的影响。

为了保证WSN的路由鲁棒性，现有技术提出建立从源节点到目的节点的成本梯度递减的方向交错网络，每一跳以多个节点转发数据，保证了数据的可靠性。但发明人发现：其维护通信梯度的能耗成本较高。在路由选择过程中，根据全局信息实现路由，节点需要不断交换信息来更新路由表，然而WSN的节点能量有限，所以这种方式不适合WSN。

发明内容

为了为了高效利用有限的网络资源，尽可能压缩不必要的开销以及节能，本发明实施例提供了一种成簇方法与装置、簇头与基站的路由方法与装置。所述技术方案如下：

一种成簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID，所述目标区域中设有两个基站，所述两个基站位于目标区域同侧的两端；

在每个所述区域内选择一个代理节点，所述代理节点通知区域内节点自己成为代理；

所述区域的代理节点接收所述区域内节点发送的所述区域内节点状态信息；

所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头，所述区域成为一个簇。

本发明实施例中代理机制的引入分担了簇头的负担，延长了簇头的任务周期，使区域内节点管理和数据处理的效率得以提高。

一种按照所述的成簇方法成簇的网络中簇头与基站的路由方法，包括以下步骤：

从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站；

根据簇内所述区域ID确定所述簇头的梯度，使数据沿着梯度递减的方向向选定基站传递；

源簇头沿选定基站方向，选择N₁个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

中间跳簇头沿选定基站方向，选择N₂个梯度比所述中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

其中，源簇头指所述数据传递的出发点，N₁≥N₂≥2。

本发明实施例中，由于传递数据的是各个区域的簇头节点，减小了底层节点移动导致的网络拓扑变化的影响，降低了路由能耗。另外，以区域ID控制路由方向使数据传递直接面向基站，避免了路由环的出现以及数据在链路上的无谓传输，提高了路由效率，缩短了网络延迟。

一种成簇装置，包括：

区域划分模块，用于将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID，所述目标区域中设有两个基站，所述两个基站位于目标区域同侧的两端；

代理节点选择模块，用于在每个所述区域内选择一个代理节点，所述代理节点通知区域内节点自己成为代理；

接收模块，用于所述区域的代理节点接收所述区域内节点发送的所述区域内节点状态信息；

簇头选择模块，用于所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头，所述区域成为一个簇。

本发明实施例代理节点选择模块中代理机制的引入分担了簇头的负担，延长了簇头的任务周期，使区域内节点管理和数据处理的效率得以提高。

一种由所述的成簇装置成簇的网络中簇头与基站的路由装置，包括：

传递方向选择模块，用于从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站为数据传递方向；

梯度确定模块，用于根据簇内所述区域ID确定所述簇头的梯度，使数据沿着梯度递减的方向向选定基站传递；

第一簇头选择模块，用于源簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

第二簇头选择模块，用于中间跳簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比所述中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

其中，源簇头指所述数据传递的出发点，N≥2。

本发明实施例中，由于传递数据的是各个区域的簇头节点，减小了底层节点移动导致的网络拓扑变化的影响，降低了路由能耗。另外，以区域ID控制路由方向使数据传递直接面向基站，避免了路由环的出现以及数据在链路上的无谓传输，提高了路由效率，缩短了网络延迟。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的成簇方法流程图；

图2是自由空间通信模型示意图；

图3是本发明实施例二提供的成簇方法流程图；

图4是本发明实施例的监测区域示意图；

图5是本发明实施例的初始化消息数据格式示意图；

图6是本发明实施例的逻辑区域内节点的相对坐标示意图；

图7是本发明实施例的簇头节点将数据进行融合处理后形成的数据包示意图；

图8是本发明实施例三提供的簇头与基站的路由方法流程图；

图9是本发明实施例的信息传送带示意图；

图10是本发明实施例的信息传送带延伸到目标区域之外时“反弹”1个单元格的示意图；

图11是本发明实施例的目标区域的边界示意图；

图12是本发明实施例的成簇装置的示意图；

图13是本发明实施例五提供的簇头与基站的路由装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种成簇方法，如图1所示，包括以下步骤：

110：将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID，所述目标区域中设有两个基站，所述两个基站位于目标区域同侧的两端；

120：在每个所述区域内选择一个代理节点，所述代理节点通知区域内节点自己成为代理；

130：所述区域的代理节点接收所述区域内节点发送的所述区域内节点状态信息；

140：所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头，所述区域成为一个簇。

本发明实施例中代理机制的引入分担了簇头的负担，延长了簇头的任务周期，使区域内节点管理和数据处理的效率得以提高。

实施例二

本发明实施例应用于如下网络模型：

1.节点分布于平面区域，节点之间没有通信障碍。

2.节点位置固定，各个节点配有功率控制单元，可以动态调节节点发射功率，节点初始能量随机分布。

3.成员节点与簇头、簇头与簇头之间的通信满足自由空间通信模型E＝ε_ampdⁿ，如图2所示。其中：E为能耗；d为信号传输距离；ε_amp为传输放大电路能耗指数，单位为pJ/bit/m²；n为与环境有关的路径衰减指数，其取值根据网络环境不同而有所差异，见下表：

本发明实施例中，通信距离较近，取n＝2。

4.所有节点具有相同功能，并具有数据融合能力，节点可以检测接收到的信号强度值，且灵敏度足够高。

5.设立有两个基站(Base Station，BS)，分别位于目标监测区域边界两侧，且两BS之间的距离已知，如图2所示。

6.基站通信能量不受限，其通信范围可以覆盖整个监测区域，且基站通信功率τ级离散可调。

如图3所示，本发明实施例提出了一种成簇方法，该方法包括：

S310：将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID。

基站的通信能量可以划分为很多离散的功率等级，功率越高通信覆盖范围越大，反之越小，据此可以将目标监测区域划分为很多相对独立的逻辑区域。节点根据接收到的不同基站的信号强度可以近似确定自己到两个基站的距离，从而确定自己所属的逻辑区域，每个逻辑区域有自己独立的ID，即区域ID。

设目标监测区域为边长M的正方形，两个高性能基站(BS1、BS2)分别部署于监测区域同侧的两端，如图4(a)所示，其能量不受限且功率等级大小可离散调节，最大功率等级设为τ，功率等级越高通信覆盖范围越大，反之越小。两个基站(BS1、BS2)分别以从小到大的离散功率等级1～τ广播初始化消息“initial”，初始化消息数据格式如图5(a)所示，包括：基站编号(基站ID)、能量等级(Level)、发射功率(Power)等。基站相邻功率等级的覆盖范围形成一个环状区域，两个基站各自形成的环状区域相互交叉，将目标区域划分成一系列虚拟网格单元，该网格单元就是本实施例中划分的逻辑区域。

逻辑区域中的每个节点有一个逻辑ID，同一逻辑区域内的所有节点的逻辑ID相同，节点的逻辑ID就是其所处逻辑区域的区域ID。每个节点还有一个物理ID，用以区别其它节点。节点逻辑ID(逻辑区域的区域ID)的获取方式如下：

目标区域内的节点首次收到基站广播的初始化消息后，检测并记录接收到的信号强度值；同时解析初始化消息中包含的基站及功率等级编号信息，并根据功率等级编号确定自己分别处于基站1和基站2的哪两个相邻功率等级形成的环内。节点的逻辑ID定义为两个基站相邻功率等级编号的组合，且基于BS1的两位等级编号在前，基于BS2的两位编号在后，例如，某节点第一次分别收到来自BS1以功率等级5(其相邻功率等级为4)和来自BS2以功率等级8(其相邻功率等级为7)广播的初始化消息，则该节点的逻辑ID为4578。接下来两个基站继续以更高功率等级广播初始化消息，为避免该节点再次收到两个基站广播的初始化消息时逻辑ID被更新，本实施例规定：设定了逻辑ID的节点不再接收基站广播的其余初始化消息，即节点只处理第一次收到的初始化消息，除非基站发出***重新初始化的指令。逻辑区域划分方法具体如下：

另一方面，所有逻辑ID相同的节点构成一个虚拟网格单元，该网格单元的ID就是节点的逻辑ID，如图4(b)中逻辑ID为4578的网格单元代表基站BS1以相邻功率等级4、5广播形成的环45与BS2以相邻功率等级7、8广播所形成的环78形成的交叉区域。在基于自由空间模型的假设下，调节基站功率，使相邻功率等级之间的功率以τ²倍递增，可以得到均匀分布的虚拟网格单元。该虚拟网格单元就是上述的逻辑区域，其区域ID(regionID)就是该逻辑区域内节点的逻辑ID，其中基于BS1的ID在前，BS2的在后，如图5(b)。

S320：在每个逻辑区域中选择一个代理节点。

在每个逻辑区域中选定一个代理节点(Agent)是为了把逻辑区域中的节点管理和数据处理分开。代理节点是逻辑区域内的管理者，负责簇头的选择、本区域内节点信息的管理。它本身不参与监测数据的采集，独立出来专门负责本区域内节点的管理。理想选择的方式为：

第一次选择Agent时，采用随机方式生成。被选为代理的节点向其它节点广播“hello”消息，通知自己成为Agent，只有区域ID和Agent区域ID相同的节点才接收该消息。收到消息后，节点返回包括以下信息：物理ID(即每个节点唯一的身份标识)、剩余能量、接收到BS1的信号强度、接收到BS2的信号强度的数据包给Agent，宣布自己成为Agent的成员节点。Agent维护一张区域数据表，存放所辖区域内每个节点的物理ID、剩余能量、收到的信号强度等信息，并计算区域内平均剩余能量。

如果不是第一次选择Agent，则由簇头负责触发Agent选举过程。簇头通过心跳信息监测当前代理剩余能量，如果剩余能量低于区域内平均剩余能量的某个百分比(本发明实施例设为50％)，则开始新代理的选举过程：簇头选择区域内剩余能量最多的节点作为代理，然后在区域内广播该代理节点的ID，节点收到该信息后向新任代理发送自身剩余能量、物理ID等信息，代理将收到的信息进行整理，形成并维护区域数据表。

S330：代理节点确定本区域内每个节点的相对坐标，并将其加入到区域数据表。

分别设将每个区域中基于BS1和BS2的下边界设为虚拟Y轴和X轴，如图6。如前所述，每个区域的节点首次收到基站广播的初始化消息后，会检测并记录接收到的信号强度值。Agent节点以记录接收到BS1信号强度最大的节点为边界，将其坐标定为0，表示该节点位于本区域内距离BS1最近的下边界，该边界称为基于BS1的接收信号“0等强线”，并视为Y坐标轴。Agent节点将记录接收到BS1信号强度最小的节点，即本区域内距离BS1最远的节点，所在的边界线定义为基于BS1的“1等强线”，其坐标定为1。对其余节点根据记录的接收信号强度大小分配0～1的相对值，表示其距离上下边界的相对位置。同理，得到相对于BS2的“0等强线”和“1等强线”，以及节点基于此边界的相对值，进而得到节点基于此虚拟坐标***的相对X坐标值。通过以上方法，区域内的每个节点得到一组基于BS1和BS2上下边界等强线的相对坐标值，且基于BS1的等强线相对坐标值在前，如图6，节点a(0.7，08)，表示节点a位于距BS1的0等强线0.7个单位，BS2的0等强线0.8个单位处，Agent将所有节点的坐标信息加入到区域数据表中。

S340：每个逻辑区域的代理节点在本区域中选择一个簇头节点。

选定Agent并确定本区域内每个节点的相对坐标后，Agent即开始选择簇头。对于一个簇结构的网络，簇头和簇内节点通信距离越小则其全局通信能耗越低，即簇头到成员节点距离平方和越小，则该节点越具有成为簇头的优良地理位置。除了节点所处地理位置，剩余能量显得更重要，只有剩余能量高的节点才能有效承担高强度的数据处理任务。Agent通过节点竞争能力表达式确定簇头节点：

$p_i=\mathrm{\ω}\frac{E_{\mathrm{ri}}-\stackrel{\‾}{E}}{\stackrel{\‾}{E}}+(1-\mathrm{\ω})(1-\frac{1}{n-1}\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\δ}}^2}_{\mathrm{ij}})$ ω∈[0，1]，i∈[1，n]，且j≠i       (1)

其中ω为权值，表示能量信息和距离信息对节点竞争簇头的影响程度；

E_ri为节点的剩余能量；

表示簇内平均剩余能量， $\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ri}};$

δ_ij代表第i个节点到区域内第j个节点的距离：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2}$ i，j∈[1，n]，j≠i

Agent根据每个节点的竞争强度p_i值，选择其中最大者作为簇头。

S350：代理节点计算簇头节点到最远节点的距离并将其发送给簇头节点。

簇头节点确定后，Agent查询节点坐标，计算簇头节点到最远节点的距离R_{CH_node}，并将R_{CH_node}发送给选定的簇头节点。

S360：簇头节点根据收到的到最远节点的距离，动态调节其发射功率以覆盖区域内所有节点。

簇头节点根据收到的R_{CH_node}值，动态调节其发射功率，以覆盖区域内所有节点。然后簇头向本区域广播消息，宣布自己成为簇头，收到该消息的本区域节点根据接收到的信号强度设定自己和簇头的通信功率，并向簇头发送加入请求(join-request)消息，宣布加入该簇，成为该簇的成员节点。

自此之后，成员节点和簇头之间进入稳定通讯阶段。

在稳定通讯阶段的通信中，包括成员节点和簇头节点之间，簇头和邻居簇头之间的信息交互两个方面。

在成员节点和簇头之间的通讯过程中，成员节点向簇头发送的数据信息主要包括：传感器采集的信息、节点剩余能量、节点的区域ID、物理ID等。为避免数据冲突，簇头基于时分复用(TDMA，Time-Division Multiple-Access)***的低能耗介质访问控制(MAC，MediaAccess Control)协议给本区域代理、每个成员节点分配通讯时隙，只有在自己的时隙内，节点才打开无线发送模块和簇头节点通信，其余通讯时隙内此模块一直处于关闭状态，从而节省能量。

另外，由于节点通讯采用广播方式，因此节点在和自己的簇头通信时，其余邻居簇的节点也可能接收到此信息，为避免簇间干扰，每个簇在通讯过程中都使用区域ID为唯一的通讯标识码，节点根据该标识码过滤掉收到的非本簇信息。

簇头节点收到来自成员节点的监测信息后将数据进行融合处理，形成数据包，并计算本簇节点平均剩余能量。数据包主要由下一跳簇头区域ID、原始数据区域ID、数据采集时间以及监测数据等部分构成，如图7。其中，原始数据区域ID用于定位数据源。基站定时以最大功率广播时间同步消息，簇头接收并转发时间信息，节点据此确定数据采集时间并发送给簇头节点。

同簇区域ID相同，在簇内通信时，簇头根据区域ID只接收该ID相同的数据包。但在簇间通信的时候(簇间通信在路由过程中发生，路由是各个簇头之间的数据传输过程)，发送数据的簇头和接收数据的簇头区域代码并不相同，因此簇头可能就会丢弃这些路由数据，而这是不应该发生的，应允许簇头接收邻居簇头转发过来数据信息。

为了允许簇头接收邻居簇头转发过来的数据包，本发明实施例通过在数据包中设置一个标识位flag，当成员节点在向簇头发送数据包的时候，该标识位为“0”，而簇头向簇头发送数据的数据包该标识位为“1”，据此，接收节点可以判断该数据包是簇内还是簇间数据，从而确定接收与否。当簇头节点收到其它簇头节点发来的数据包时，就予以接收；当簇头节点收到普通成员节点发来的数据包时，就进一步判断其区域ID，如果是本区域ID，予以接收，否则丢弃。

在簇头和邻居簇头之间的通讯过程中，簇头节点通讯覆盖范围应至少达到邻居簇头，而邻居区域内簇头的分布既可能在区域中央，也可能位于区域最边缘。本发明实施例中设每个逻辑区域近似为边长r的正方形，考虑最坏的情况，相邻区域内的簇头都位于各自区域的远端侧边缘，如图7，则相邻区域簇头通讯的最小覆盖范围R_CH-CH为：

$2\sqrt{r^2+r^2}\≤R_{\mathrm{CH}-\mathrm{CH}}$ 或者 $R_{\mathrm{CH}-\mathrm{CH}}\≥2\sqrt{2}r$

簇头节点调节自己发射功率以覆盖半径为R_CH-CH的通讯区域。

为了保障簇管理的鲁棒性，Agent和簇头之间互发心跳信息以确认彼此的状态。簇头在最后一个通讯时隙结束后，立即向Agent通报本簇每个节点当前剩余能量、簇头自身剩余能量等信息。为避免簇头节点频繁更替，保障簇头身份的稳定性，规定簇头剩余能量低于簇平均剩余能量的某个百分比，或者Agent检测到簇头无法再和本簇成员、邻居簇头通信，则说明该节点不再胜任充当簇头，于是Agent发起新一轮的簇头竞选过程。另一方面，Agent在每个自己的通讯时隙内向簇头发送其本身的剩余能量，同样，为保证代理节点身份的稳定性，规定如果代理节点剩余能量低于簇平均剩余能量某个百分比，则说明该节点不再适合充任代理，于是簇头发起新一轮代理竞选过程。另外，如果簇头或代理因不可抗拒因素突然失效，心跳计时器没有收到对方的心跳信息，则任一方也可发起对方的新一轮竞选过程。这样，通过Agent和簇头之间的心跳监测机制，任何一方可以监测对方的状态，并可根据得到的状态信息进行合理决策，增强了簇管理的可靠性。

本发明实施例将大区域分成多个并行工作的逻辑区域，缩短节点单跳通信距离，减少通信能耗，同时缩短了成簇时间，有效提高了网络响应的快速性。每个逻辑区域选择一个代理，负责管理成簇过程，代理机制的引入分担了簇头的负担，延长了簇头的任务周期，使区域内节点管理和数据处理的效率得以提高，同时增强了簇管理的可靠性。通过节点剩余能量、节点地理位置信息(节点坐标)选择簇头，所形成的簇全局平均通信距离更小，从而使簇得到优化，也有效减少了簇内全局能量消耗耗。同时各个区域独立成簇，实现了簇头的均匀分布，避免了节点不断向远端基站传递节点全局信息。

实施例三

本实施例在实施例二建立的簇为网络通讯单位的基础上，进行簇间的数据通讯，为了提高数据传输的可靠性，参见图8，本发明实施例提供了一种簇头与基站的路由方法，在该方法中簇头不直接和远端BS通讯，其数据是通过邻居簇头以多跳方式向BS发送。本实施例中，节点指簇头节点。该方法包括：

810：从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站为源节点的通信传输方向。

两个基站x和y分别以从1～τ的离散功率等级从小到大依次向目标区域广播初始化消息，目标区域的节点根据接收到的初始化消息确定自己的区域ID，例如节点i的区域ID(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)。其中，前两项是所述逻辑区域对应于第一基站x的两个相邻的功率等级，后两项是所述逻辑区域对应于第二基站y的两个相邻的功率等级；离基站越远，功率等级的数值越大；其中，i为自然数。

设节点通信的下一跳节点总是为其近基站侧的某邻居节点。对于节点i(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，如果x_i＜y_i，则在同等通信条件下，如链路错误率、节点失效率等相同，数据以BS1为汇聚节点的链路负载较以BS2为汇聚节点的链路负载低，即φ_BS1＜φ_BS2；如果x_i＞y_i，则φ_BS1＞φ_BS2，即以BS2为汇聚节点的链路负载低；如果x_i＝y_i，则上述两种情况链路负载相当，φ_BS1＝φ_BS2。理由如下：

在自由空间模型假设下，源节点向汇聚节点发送数据包的链路负荷φ为：φ＝E×Num×hop，其中E为节点单次通信能耗，Num为单跳通信(重传)次数，hop为源节点到汇聚节点的总跳数。由于节点通信的下一跳节点总是为其近基站侧的某邻居节点，因此基于BS1、BS2的路由总跳数分别为节点所在区域ID的第2位(x_i+1)和第4位(y_i+1)，当x_i＜y_i，即当(x_i+1)＜(y_i+1)时，源节点到基站的路由总跳数hop_BS1＜hop_BS2。在同等通信条件下(链路错误率、节点失效率等相同)，单次通信能耗E、单跳通信重传次数Num相等，因此，φ_BS1＜φ_BS2；同理，当x_i＞y_i时，φ_BS1＞φ_BS2。而当x_i＝y_i时，以任意基站为汇聚节点链路负荷相当。

为使源节点的通信链路负载最低，对于源节点i(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，如果x_i＜y_i，则选择向BS1的方向传输数据；如果x_i＞y_i，则选择向BS2的方向传输数据；而如果x_i＝y_i，则随机选择BS1或BS2为数据传输方向。

820：根据簇内区域ID确定节点的梯度，使数据沿着梯度递减的方向向选定基站传递。

在目标区域进行逻辑区域划分，建立虚拟网格单元后，每个单元有一个簇头节点，它具有唯一的4位区域ID。对任意源节点i，其区域ID为(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，该节点的通信梯度为节点的区域ID的前两位或者后两位。当x_i＜y_i时，该节点的通信梯度为区域ID的前两位(x_i，x_i+1)；当x_i＞y_i时，该节点的通信梯度为区域ID的后两位(y_i，y_i+1)；而当x_i＝y_i时，以等概率取节点区域ID前两位或后两位为梯度。数据总是沿着梯度递减的方向传递，而在梯度增大、相同的方向上都没有数据传递，因此避免了路由环的出现，保证数据朝特定基站传送。

830：源节点沿选定基站方向，选择N个梯度比源节点小的节点作为下一跳节点传递数据。其中，N≥2。

确定簇头节点的梯度后，沿选定基站方向根据梯度递减的原则，选择数据传输的下一跳节点。为保证数据传输的鲁棒性，不以单路径或者不相交多路径方式传递数据，而是根据节点的通信覆盖半径，建立从源节点到基站的“信息传送带”，源节点发送的数据通过N₁(N₁≥2)个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳节点转发进入信息传送带，传送带的宽度为参与数据转发的每一跳节点数量。在本发明实施例中，N取3，带宽固定为3，处于信息带边沿的节点有两个下一跳节点，而信息带中间的节点有三个下一跳节点，如图9。源节点的下一跳节点的选定方法为：

设源节点的ID为S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)，假定x_s＜y_s，则根据步骤810，应该选择BS1作为目的基站，梯度为节点ID的前两位。数据总是沿着梯度递减的方向传递，而在梯度增大、相同的方向上都没有数据传递。因此，S的下一跳节点集ψ_s为节点S近BS1侧的3个邻居节点：ψ_S＝{n_S，L(x_S-1，x_S，y_S+1，y_S+2)、n_S，M(x_S-1，x_S，y_S，y_S+1)、n_S，R(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)}，它们是“信息传送带”的起点。同理，若是x_s＞y_s时，S的下一跳节点集ψ_s为{n_S，L(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)、n_S，M(x_S，x_S+1，y_S-1，y_S)、n_S，R(x_S+1，x_S+2，y_S-1，y_S)}。

840：中间跳节点沿选定基站方向，选择N个梯度比中间跳节点小的节点作为下一跳节点传递数据。

信息传送带由节点组成，每一跳有预设数目的节点。其中，源节点指数据传递的出发点。每个节点在确定了下一跳节点之后，传送数据时自动在包中绑定下一跳节点的ID号，只有ID号相匹配的节点才能接收该数据包，使数据包朝向特定方向传递。预设数目即信息传送带的宽度，本实施例中预设数目为3。信息传送带内，除起点外，其余的中间跳节点的下一跳节点的选定方法为：

如果目的基站是BS1，为保证数据沿梯度递减方向传递，当前节点ID前两位分别递减1作为其下一跳节点ID的前两位，而下一跳节点ID后两位随节点在带内的位置不同而不同。由于节点通信覆盖半径固定，一个区域的簇头节点只能和其邻居区域的簇头节点通信，而本实施例中信息传送带的宽度限定为3，因此，位于信息传送带中间的节点有3个下一跳节点，而处于带边沿的节点只能和两个下一跳节点通信，参见图9和图10。

设第i跳的3个节点分别为：ψ_i＝{n_i，L(x_i，x_i+1，y_i+1，y_i+2)、n_i，M(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)、n_i，R(x_i，x_i+1，y_i-1，y_i)}。则“信息传送带”的第i+1跳节点集为ψ_i+1＝{n_i+1，L(x_i-1，x_i，y_i+1，y_i+2)、n_i+1，M(x_i-1，x_i，y_i，y_i+1)、n_i+1，R(x_i-1，x_i，y_i-1，y_i)}(2)其中左边沿节点n_i，L的第i+1跳节点分别为：n_i+1，L、n_i+1，M。带右边沿节点n_i，R的两个第i+1跳节点为：n_i+1，M、n_i+1，R。而中间节点n_i，M的3个下一跳节点为分别为：n_i+1，L、n_i+1，M、n_i+1，R。可见，并不是所有3个下一跳节点都能收到前一跳的所有3节点的广播的信息。当选定了下一跳节点后，“信息传送带”朝基站方向延伸一跳，如果延伸到梯度值为“01”的节点时，说明其下一跳即为目的基站。

在整个数据传递过程中，“信息传送带”不用预先建立，而是在数据传送的同时，根据节点局部信息，自主建立，具有分布式控制的特征。不同的源节点建立的信息带不同，且一旦信息传输完毕，信息带即被丢弃。节点维护一个缓冲区存放已经转发过的数据包，如果节点收到来自不同上游节点的相同数据包，则从队列中删除。为减少冲突，节点转发数据前等待一个随机时间，避免和邻居节点同时发送数据而引起冲突。

如图10，信息传送带可能延伸到目标区域之外。为避免这种情况发生，当传送带中间跳碰到网格单元位于目标区域边界时“反弹”1个单元格，使下一跳节点集的ID后两位分别递减1，即该跳的下一跳节点集ψ_i+1向右平移一个单元格，变为ψ_i+1{n_i+1，L(x_i-1，x_i，y_i，y_i+1)、n_i+1，M(x_i-1，x_i，y_i-1，y_i)、n_i+1，R(x_i-1，x_i，y_i-2，y_i-1)}(3)

相应左边沿节点n_iL的第i+1跳节点为：n_i+1，L，中间节点n_i，M的下一跳节点变为2个：n_i+1，L、n_i+1，M，而带右边沿节点n_i，R有3个第i+1跳节点：n_i+1，L、n_i+1，M、n_i+1，R。此后下一跳节点集又恢复为式(1)中确定的节点集。

如果源节点位于目标区域的边界时，源节点S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)的下一跳节点本实施例规定为1个：

当x_s＜y_s时，为L(x_s-1，x_s，y_s-1，y_s)。

当x_s＞y_s时，为R(x_s-1，x_s，y_s-1，y_s)。

这其中，任一节点(包括源节点和中间跳节点)根据收到的所有探测包判断自己是否位于目标区域的边界的方法为：

若该节点未能收到区域ID与自身的区域ID前两位相同，而后两位分别递增1的探测包，则判定该节点位于目标区域左侧的边界，

若该节点未能收到区域ID与自身的区域ID后两位相同，而前两位分别递增1的探测包，则判定该节点位于目标区域右侧边界，

若该节点未收到区域ID与自身的区域ID前两位相同而后两位分别递减1的探测包，或者未收到区域ID与自身的区域ID后两位相同而前两位分别递减1的探测包，则判定该节点位于下边界。

如图11，节点3467所收到的探测包中不含来自3478的探测包，因此3467位于左侧边界；6734收不到虚拟ID为7834的信息，因为它处于右边界；同理，2323未能收到2312、1223的信息，则节点位于区域下边界。但是，如果通信质量较差，节点可能收不到某邻居区域的信息而造成误判，此时为提高探测准确度，可采用其他一些相关策略。比如：节点多次发送探测信息，或者簇内每个成员节点都发送一条探测消息，并将收到的探测消息发送至节点节点，由节点节点根据上述方法进行判断，从而提高探测准确度。

对于节点移动情况下，网络拓扑不断变化，在现有技术中，需要多次重新建立节点到基站的通信梯度，能耗较大。而在本发明实施例中，由于每一跳节点是各个区域的簇头节点，不管节点如何移动，只要任何时候每一个区域有一个簇头节点，则数据通信将按既定方式进行，减小了底层节点移动导致的网络拓扑变化的影响，不仅提高数据传递的鲁棒性，更重要的是***路由能耗不会随着底层节点移动而额外增加。另外，以区域ID控制路由方向使数据传递直接面向基站，数据总是沿着梯度递减的方向传递，而在梯度增大、相同的方向上都没有数据传递，因此避免了路由环的出现以及数据在链路上的无谓传输，提高了路由效率，缩短了网络延迟。而且簇头自适应选择下一条路径，路由灵活性提高，簇头节点不必维护路由表，也节省了存储空间。

实施例四

本发明实施例提供了一种成簇装置，如图12所示，包括：

区域划分模块1201，用于将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID，目标区域中设有两个基站，两个基站位于目标区域同侧的两端；

代理节点选择模块1202，用于在每个上述区域内选择一个代理节点，代理节点通知区域内节点自己成为代理；

接收模块1203，用于上述区域的代理节点接收本区域内节点发送的区域内节点状态信息；

簇头选择模块1204，用于上述区域的代理节点根据上述状态信息在上述区域内选择一个节点为簇头，上述区域成为一个簇。

其中，将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID的方法具体为：

两个基站分别以从1～τ的离散功率等级从小到大依次向所述目标区域广播初始化消息；

目标区域的节点根据接收到的初始化消息确定自己的逻辑ID；

所有逻辑ID相同的节点构成一个逻辑区域，将该逻辑区域内节点的逻辑ID作为其区域ID；

其中，初始化消息包括基站编号以及发射功率等级，τ＞1。

第i个逻辑区域的区域ID形如ID(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)。其中，前两项是上述逻辑区域对应于第一基站x的两个相邻的功率等级，后两项是上述逻辑区域对应于第二基站y的两个相邻的功率等级；功率等级的数值越大，基站发送信息的功率越大，覆盖区域越广；其中，i为自然数。

进一步地，代理节点选择模块1202包括：

第一次选择单元12021，用于第一次选择代理，采用随机方式生成；

第n次选择单元12022，用于第n次选择代理，当旧的代理的剩余能量低于预设阈值时，由所述区域内簇头选择所述区域内剩余能量最多的节点作为代理；其中，n为＞1的自然数。

本实施例中预设阈值为逻辑区域内平均剩余能量的一半。

上述区域内节点状态信息包括：

节点的区域ID、节点的物理ID、剩余能量和分别接收到所述两个基站信号的信号强度。

进一步地，上述装置还包括：

节点相对坐标获取模块1205，用于上述区域的代理节点根据接收模块1203接收的区域内节点状态信息确定本区域内每个节点的相对坐标(X_i，Y_i)。

节点相对坐标获取模块1205包括：

建立坐标系单元12051，用于以接收来自基站x的信号强度最大的节点所在位置为y轴，以接收来自基站y的信号强度最大的节点所在位置为x轴建立坐标系，所述y轴、x轴分别作为基于基站x和基站y的0等强线；以接收来自基站x的信号强度最小的节点所在位置为基于基站x的1等强线，以接收来自基站y的信号强度最小的节点所在位置为基于基站y的1等强线；

确定相对坐标单元12052，用于对位于所述0等强线和1等强线之间的节点根据接收来自基站x的信号强度大小分配0到1的相对值X_i，根据接收来自基站y的信号强度大小分配0到1的相对值Y_i。

进一步地，簇头选择模块1204包括：

节点竞争力计算单元12041，用于所述区域的代理节点根据所述节点剩余能量信息及节点的相对坐标计算节点竞争力指数p_i， $p_i=\mathrm{\ω}\frac{E_{\mathrm{ri}}-\stackrel{\‾}{E}}{\stackrel{\‾}{E}}+(1-\mathrm{\ω})(1-\frac{1}{n-1}\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\δ}}^2}_{\mathrm{ij}})$

其中ω为权值，ω∈[0，1]，表示能量信息和距离信息对节点竞争簇头的影响程度，

E_ri为节点的剩余能量，

表示所述区域内平均剩余能量， $\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ri}},$

n为所述区域内节点的数目，

δ_ij代表第i个节点到区域内第j个节点的距离， ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{(X_i-X_j)}^2+{(Y_i-Y_j)}^2},$

i、j∈[1，n]，且j≠i；

簇头选择单元12042，用于所述区域的代理节点选择所述p_i最大者对应的节点为该区域的簇头。

当上述区域的代理节点根据上述状态信息在本区域内选择一个节点为簇头之后，该代理节点查询本区域内节点的相对坐标，计算簇头到本区域的最远节点的距离，并将该距离发送给簇头；簇头根据该距离调节其发射功率以覆盖本区域内所有节点；簇头向本区域广播消息，宣布自己成为簇头；收到广播消息的本区域节点根据接收到的信号强度设定自己和簇头的通信功率并向簇头发送加入消息，宣布加入所述簇。

本发明实施例将大区域分成多个并行工作的逻辑区域，缩短节点单跳通信距离，减少通信能耗，同时缩短了成簇时间，有效提高了网络响应的快速性。每个逻辑区域选择一个代理，负责管理成簇过程，代理机制的引入分担了簇头的负担，延长了簇头的任务周期，使区域内节点管理和数据处理的效率得以提高，同时增强了簇管理的可靠性。通过节点剩余能量、节点地理位置信息(节点坐标)选择簇头，所形成的簇全局平均通信距离更小，从而使簇得到优化，也有效减少了簇内全局能量消耗耗。同时各个区域独立成簇，实现了簇头的均匀分布，避免了节点不断向远端基站传递节点全局信息。

实施例五

本发明实施例在由实施例四提供的成簇装置来成簇的网络基础上，提供了一种簇头与基站的路由装置，参见图13，包括：

传递方向选择模块1301，用于从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站为数据传递方向；

梯度确定模块1302，用于根据簇内所述区域ID确定所述簇头的梯度，使数据沿着梯度递减的方向向选定基站传递；

第一簇头选择模块1303，用于源簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

第二簇头选择模块1304，用于中间跳簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比所述中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

其中，源簇头指所述数据传递的出发点，N≥2。

第i个所述逻辑区域的区域ID形如ID(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，其中，前两项是所述逻辑区域对应于第一基站x的两个相邻的功率等级，后两项是所述逻辑区域对应于第二基站y的两个相邻的功率等级；其中，i为自然数。

梯度确定模块1302根据每个簇头的区域ID来确定每个簇头的梯度：

簇头i(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，如果其x_i＜y_i，则其梯度为(x_i，x_i+1)；

如果其x_i＞y_i，则其梯度为(y_i，y_i+1)；

如果x_i＝y_i，则其梯度为(x_i，x_i+1)或(y_i，y_i+1)。

传递方向选择模块1301根据源簇头的区域ID来确定数据传递方向：

源簇头S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)，如果其x_s＜y_s，则在同等通信条件下选择x基站进行数据传递；

如果其x_s＞y_s，则在同等通信条件下选择y基站进行数据传递；

如果x_s＝y_s，则在同等通信条件下选择两者之中任一进行数据传递。

进一步地，上述装置还包括：

探测包广播模块1305，用于目标区域的所有簇头广播包含自身区域ID的探测包；

边界判断模块1306，用于任一簇头根据收到的所有探测包判断自己是否位于目标区域的边界：

若该簇头未能收到区域ID与自身的区域ID前两位相同，而后两位分别递增1的探测包，则判定该簇头位于目标区域左侧的边界，

若该簇头未能收到区域ID与自身的区域ID后两位相同，而前两位分别递增1的探测包，则判定该簇头位于目标区域右侧边界，

若该簇头未收到区域ID与自身的区域ID前两位相同而后两位分别递减1的探测包，或者未收到区域ID与自身的区域ID后两位相同而前两位分别递减1的探测包，则判定该簇头位于下边界。

相应地，第一簇头选择模块1303，具体用于源簇头沿选定基站方向，根据边界判断模块1306的判断结果选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

第二簇头选择模块1304，具体用于中间跳簇头沿选定基站方向，根据边界判断模块1306的判断结果选择N个梯度比所述中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据。

本实施例中，N取3。

第一簇头选择模块1303对源簇头S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)，当x_s＜y_s时，源簇头S的下一跳簇头分别为：L(x_S-1，x_S，y_S+1，y_S+2)、M(x_S-1，x_S，y_S，y_S+1)、R(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)；当x_s＞y_s时，源簇头S的下一跳簇头分别为：L(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)、M(x_S，x_S+1，y_S-1，y_S)、R(x_S+1，x_S+2，y_S-1，y_S)。

如果上述源簇头位于目标区域的边界时，源簇头S的下一跳簇头为1个：

当x_s＜y_s时，为L(x_s-1，x_s，y_s-1，y_s)。

当x_s＞y_s时，为R(x_s-1，x_s，y_s-1，y_s)。

第二簇头选择模块1304，当选定第一基站x为数据传递方向时，中间跳簇头集的N个下一跳簇头集的区域ID的前两位分别减1，后两位保持不变；当选定第二基站y为数据传递方向时，所述中间跳簇头集的N个下一跳簇头集的区域ID的后两位分别减1，前两位保持不变。

如果上述中间跳簇头中任一位于目标区域的边界时，其下一跳簇头的区域ID的所有四位分别减1。

对于节点移动情况下，网络拓扑不断变化，在现有技术中，需要多次重新建立节点到基站的通信梯度，能耗较大。而在本发明实施例中，由于每一跳节点是各个区域的簇头节点，不管节点如何移动，只要任何时候每一个区域有一个簇头节点，则数据通信将按既定方式进行，减小了底层节点移动导致的网络拓扑变化的影响，不仅提高数据传递的鲁棒性，更重要的是***路由能耗不会随着底层节点移动而额外增加。另外，以区域ID控制路由方向使数据传递直接面向基站，数据总是沿着梯度递减的方向传递，而在梯度增大、相同的方向上都没有数据传递，因此避免了路由环的出现以及数据在链路上的无谓传输，提高了路由效率，缩短了网络延迟。而且簇头自适应选择下一条路径，路由灵活性提高，簇头节点不必维护路由表，也节省了存储空间。

本发明实施例可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，例如，路由器的硬盘、缓存或光盘中。以上本发明实施例以两个基站为例说明，但是本发明实施例的基站数目不限于两个，也可以是两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种成簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID，所述目标区域中设有两个基站，所述两个基站位于目标区域同侧的两端；

在每个所述区域内选择一个代理节点，所述代理节点通知区域内节点自己成为代理；

所述区域的代理节点接收所述区域内节点发送的所述区域内节点状态信息；

所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头，所述区域成为一个簇。

2.根据权利要求1所述的成簇方法，其特征在于，所述将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID的步骤具体包括：

两个所述基站分别以从1～τ的离散功率等级从小到大依次向所述目标区域广播初始化消息；

所述目标区域的节点根据接收到的初始化消息确定自己的逻辑ID；

所有逻辑ID相同的节点构成一个逻辑区域，将该逻辑区域内节点的逻辑ID作为其区域ID；

其中，所述初始化消息包括基站编号以及发射功率等级，τ＞1。

3.根据权利要求2所述的成簇方法，其特征在于，第i个所述逻辑区域的区域ID形如ID(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，其中，前两项是所述逻辑区域对应于第一基站x的两个相邻的功率等级，后两项是所述逻辑区域对应于第二基站y的两个相邻的功率等级；功率等级的数值越大，基站发送信息的功率越大，覆盖区域越广；

其中，i为自然数。

4.根据权利要求1所述的成簇方法，其特征在于，在所述的每个区域内选择一个代理节点的步骤具体为：

如果是第一次选择代理，采用随机方式生成；

如果是第n次选择代理，当旧的代理的剩余能量低于预设阈值时，由所述区域内簇头选择所述区域内剩余能量最多的节点作为代理；

其中，n为大于1的自然数。

5.根据权利要求4所述的成簇方法，其特征在于，所述预设阈值为所述逻辑区域内平均剩余能量的一半。

6.根据权利要求1所述的成簇方法，其特征在于，所述区域内节点状态信息包括：

节点的区域ID、节点的物理ID、剩余能量和分别接收到所述两个基站信号的信号强度。

7.根据权利要求6所述的成簇方法，其特征在于，所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头的步骤之前还包括：

所述区域的代理节点根据所述区域内节点状态信息确定本区域内每个节点的相对坐标(X_i，Y_i)。

8.根据权利要求7所述的成簇方法，其特征在于，所述区域的代理节点根据所述区域内节点状态信息确定本区域内每个节点的相对坐标(X_i，Y_i)的步骤具体为：

以接收来自基站x的信号强度最大的节点所在位置为y轴，以接收来自基站y的信号强度最大的节点所在位置为x轴建立坐标系，所述y轴、x轴分别作为基于基站x和基站y的0等强线；以接收来自基站x的信号强度最小的节点所在位置为基于基站x的1等强线，以接收来自基站y的信号强度最小的节点所在位置为基于基站y的1等强线；

对位于所述0等强线和1等强线之间的节点根据接收来自基站x的信号强度大小分配0到1的相对值X_i，根据接收来自基站y的信号强度大小分配0到1的相对值Y_i。

9.根据权利要求7所述的成簇方法，其特征在于，所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头的步骤具体包括：

所述区域的代理节点根据所述节点剩余能量信息及节点的相对坐标计算节点竞争力指数

p_i， $p_i=\mathrm{\ω}\frac{E_{\mathrm{ri}}-\stackrel{\‾}{E}}{\stackrel{\‾}{E}}+(1-\mathrm{\ω})(1-\frac{1}{n-1}\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\δ}}^2}_{\mathrm{ij}})$

其中ω为权值，ω∈[0，1]，表示能量信息和距离信息对节点竞争簇头的影响程度，

E^ri为节点的剩余能量，

表示所述区域内平均剩余能量，

n为所述区域内节点的数目，

δ_ij代表第i个节点到区域内第j个节点的距离，

i、j∈[1，n]，且j≠i；

所述区域的代理节点选择所述p_i最大者对应的节点为该区域的簇头。

10.根据权利要求7所述的成簇方法，其特征在于，所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头的步骤之后还包括：

所述区域内代理节点查询所述区域内节点的所述相对坐标，计算簇头到所述区域的最远节点的距离，并将所述距离发送给所述簇头；

所述簇头根据所述距离调节其发射功率以覆盖所述区域内所有节点；

所述簇头向所述区域广播消息，宣布自己成为簇头；

收到所述广播消息的所述区域节点根据接收到的信号强度设定自己和所述簇头的通信功率并向所述簇头发送加入消息，宣布加入所述簇。

11.根据权利要求1所述的成簇方法，其特征在于，所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头的步骤之后还包括：

所述簇头给本区域代理和每个成员节点分配通讯时槽；

所述每个成员节点只有在自己的通讯时槽内和本簇簇头通信。

12.根据权利要求1所述的成簇方法，其特征在于，

所述簇在通信过程中使用区域ID作为唯一的通信标识码，同时在数据包中绑定数据类型标识；

所述节点根据该通信标识码过滤掉收到的非本簇数据包；

所述簇头根据该通信标识码过滤掉收到的非本簇节点的数据包，同时根据该数据类型标识接收邻居簇头发送的数据包。

13.一种按照权利要求1所述的成簇方法成簇的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站为数据传递方向；

根据簇内所述区域ID确定所述簇头的梯度，使数据沿着梯度递减的方向向选定基站传递；

源簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

中间跳簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比所述中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

其中，源簇头指所述数据传递的出发点，N≥2。

14.根据权利要求13所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，第i个所述逻辑区域的区域ID形如ID(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，其中，前两项是所述逻辑区域对应于第一基站x的两个相邻的功率等级，后两项是所述逻辑区域对应于第二基站y的两个相邻的功率等级；其中，i为自然数。

15.根据权利要求14所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，根据簇内所述区域ID确定所述簇头的梯度的方法具体为：

簇头i(x_i，x_i+1，y_i，y_i+1)，如果其x_i＜y_i，则其梯度为(x_i，x_i+1)；

如果其x_i＞y_i，则其梯度为(y_i，y_i+1)；

如果x_i＝y_i，则其梯度为(x_i，x_i+1)或(y_i，y_i+1)。

16.根据权利要求14所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，所述从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站为数据传递方向的步骤具体为：

源簇头S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)，如果其x_s＜y_s，则在同等通信条件下选择x基站进行数据传递；

如果其x_s＞y_s，则在同等通信条件下选择y基站进行数据传递；

如果x_s＝y_s，则在同等通信条件下选择两者之中任一进行数据传递。

17.根据权利要求13所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，还包括步骤：

目标区域的所有簇头广播包含自身区域ID的探测包；

任一簇头根据收到的所有探测包判断自己是否位于目标区域的边界：

若该簇头未能收到区域ID与自身的区域ID前两位相同，而后两位分别递增1的探测包，则判定该簇头位于目标区域左侧的边界，

若该簇头未能收到区域ID与自身的区域ID后两位相同，而前两位分别递增1的探测包，则判定该簇头位于目标区域右侧边界，

若该簇头未收到区域ID与自身的区域ID前两位相同而后两位分别递减1的探测包，或者未收到区域ID与自身的区域ID后两位相同而前两位分别递减1的探测包，则判定该簇头位于下边界。

18.根据权利要求17所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，

所述源簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据的步骤中N具体为3；

当x_s＜y_s时，源簇头S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)的下一跳簇头分别为：L(x_S-1，x_S，y_S+1，y_S+2)、M(x_S-1，x_S，y_S，y_S+1)、R(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)，

当x_s＞y_s时，源簇头S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)的下一跳簇头分别为：L(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)、M(x_S，x_S+1，y_S-1，y_S)、R(x_S+1，x_S+2，y_S-1，y_S)。

19.根据权利要求17所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，

当选定第一基站x为数据传递方向时，所述中间跳簇头集的N个下一跳簇头集的区域ID的前两位分别减1，后两位保持不变；

当选定第二基站y为数据传递方向时，所述中间跳簇头集的N个下一跳簇头集的区域ID的后两位分别减1，前两位保持不变。

20.根据权利要求18所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，如果所述源簇头位于目标区域的边界时，

源簇头S(x_s，x_s+1，y_s，y_s+1)的下一跳簇头为1个：

当x_s＜y_s时，为L(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)。

当x_s＞y_s时，为R(x_S-1，x_S，y_S-1，y_S)。

21.根据权利要求19所述的网络中簇头与基站的路由方法，其特征在于，如果所述中间跳簇头中任一位于目标区域的边界时，所述中间跳簇头的下一跳簇头的区域ID的所有四位分别减1。

22.一种成簇装置，其特征在于，包括：

区域划分模块，用于将目标区域进行逻辑区域划分及确定其区域ID，所述目标区域中设有两个基站，所述两个基站位于目标区域同侧的两端；

代理节点选择模块，用于在每个所述区域内选择一个代理节点，所述代理节点通知区域内节点自己成为代理；

接收模块，用于所述区域的代理节点接收所述区域内节点发送的所述区域内节点状态信息；

簇头选择模块，用于所述区域的代理节点根据所述状态信息在所述区域内选择一个节点为簇头，所述区域成为一个簇。

23.根据权利要求22所述的成簇装置，其特征在于，代理节点选择模块包括：

第一次选择单元，用于第一次选择代理，采用随机方式生成；

第n次选择单元，用于第n次选择代理，当旧的代理的剩余能量低于预设阈值时，由所述区域内簇头选择所述区域内剩余能量最多的节点作为代理；

其中，n为大于1的自然数。

24.根据权利要求22所述的成簇装置，其特征在于，所述装置还包括：

节点相对坐标获取模块，用于所述区域的代理节点根据所述接收模块接收的区域内节点状态信息确定本区域内每个节点的相对坐标(X_i，Y_i)。

25.根据权利要求24所述的成簇装置，其特征在于，所述节点相对坐标获取模块包括：

建立坐标系单元，用于以接收来自基站x的信号强度最大的节点所在位置为y轴，以接收来自基站y的信号强度最大的节点所在位置为x轴建立坐标系，所述y轴、x轴分别作为基于基站x和基站y的0等强线；以接收来自基站x的信号强度最小的节点所在位置为基于基站x的1等强线，以接收来自基站y的信号强度最小的节点所在位置为基于基站y的1等强线；

确定相对坐标单元，用于对位于所述0等强线和1等强线之间的节点根据接收来自基站x的信号强度大小分配0到1的相对值X_i，根据接收来自基站y的信号强度大小分配0到1的相对值Y_i。

26.根据权利要求24所述的成簇装置，其特征在于，所述簇头选择模块包括：

节点竞争力计算单元，用于所述区域的代理节点根据所述节点剩余能量信息及节点的相对坐标计算节点竞争力指数p_i，

其中ω为权值，ω∈[0，1]，表示能量信息和距离信息对节点竞争簇头的影响程度，

E_ri为节点的剩余能量，

表示所述区域内平均剩余能量，

n为所述区域内节点的数目，

δ_ij代表第i个节点到区域内第j个节点的距离，

i、j∈[1，n]，且j≠i；

簇头选择单元，用于所述区域的代理节点选择所述p_i最大者对应的节点为该区域的簇头。

27.一种由权利要求22所述的成簇装置成簇的网络中簇头与基站的路由装置，其特征在于，包括：

传递方向选择模块，用于从两个基站中选择使数据传递时链路负载较低的一个基站为数据传递方向；

梯度确定模块，用于根据簇内所述区域ID确定所述簇头的梯度，使数据沿着梯度递减的方向向选定基站传递；

第一簇头选择模块，用于源簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

第二簇头选择模块，用于中间跳簇头沿选定基站方向，选择N个梯度比所述中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

其中，源簇头指所述数据传递的出发点，N≥2。

28.根据权利要求27所述的成簇装置成簇的网络中簇头与基站的路由装置，其特征在于，还包括：

探测包广播模块，用于目标区域的所有簇头广播包含自身区域ID的探测包；

边界判断模块，用于任一簇头根据收到的所有探测包判断自己是否位于目标区域的边界：

若该簇头未能收到区域ID与自身的区域ID前两位相同，而后两位分别递增1的探测包，则判定该簇头位于目标区域左侧的边界，

若该簇头未能收到区域ID与自身的区域ID后两位相同，而前两位分别递增1的探测包，则判定该簇头位于目标区域右侧边界，

若该簇头未收到区域ID与自身的区域ID前两位相同而后两位分别递减1的探测包，或者未收到区域ID与自身的区域ID后两位相同而前两位分别递减1的探测包，则判定该簇头位于下边界；

相应地，所述第一簇头选择模块，具体用于源簇头沿选定基站方向，根据边界判断模块的判断结果选择N个梯度比源簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据；

第二簇头选择模块，具体用于中间跳簇头沿选定基站方向，根据边界判断模块的判断结果选择N个梯度比所述中间跳簇头小的簇头作为下一跳簇头传递数据。

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