CN102448138B

CN102448138B - 一种无线传感器网络层次路由协议的组簇方法

Info

Publication number: CN102448138B
Application number: CN201110458685.0A
Authority: CN
Inventors: 龙昭华; 刘建锋; 李兵; 蒋贵全; 刘达明; 张�林
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing Xinke Communication Engineering Co.,Ltd.
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: CN102448138A

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络路由协议成簇方法，与传统的层次路由协议的分簇方法不同，本发明对所有节点设置层次号和簇号进行标识，并计算出每层合理的簇数，设计了合理的网络拓扑结构，解决了传统路由协议的簇域分布过多，基站对网络的管理更加繁琐和复杂的问题。本发明提出的独立重建簇的方法有效地平衡簇首节点与簇内节点之间的能量消耗，有效地提高了簇头节点基站进行通信的效率，显著的延长了网络的生存周期。本发明通过辅助节点对簇首节点进行实时的监听，防止因簇首突然死亡，整个簇失去管理而造成的能量浪费。还在数据传输过程中，设计了合理的路径补救策略，有效地提高了数据传输的效率与完整性。

Description

一种无线传感器网络层次路由协议的组簇方法

技术领域

本发明涉及WSNs(Wireless Sensor Networks，无线传感器网络)技术领域，是一种解决无线传感器网络层次路由协议簇的建立阶段能耗大、效率低，网络生存周期较短的组簇方法。

背景技术

路由协议是WSNs研究中的一个重要领域，其算法设计必须考虑WSNs自身多跳、自组织、能源局限性、环境相关等主要特点。经过大量研究表明，层次路由协议引入组簇的概念，能更有效的保证WSNs***的扩展性和工作效率。

层次路由的主要研究点在于组簇和传输。层次路由协议每进行一轮都要在全网按照一定的规则进行一次簇的重建。有的层次路由协议的组簇机制比较复杂，在选取簇首时，不仅考虑节点的能量，还要考虑节点与周围邻居节点能量的比较等因素，需要和邻居节点大量的交换分组信息。这样虽然可以保证簇首选举的合理性，但却大大增加了组簇过程中节点的计算量。选簇的规则越复杂，节点的计算量越大，能量的开销代价就越大。考虑到以下情况，轮循的方式就显出不足：

（1）当全网数据传输完毕后，有可能大部分簇的工作状态良好，其中簇首消耗的能源并不多。这时如果进入下一轮的簇首的重新选举，不仅破坏了良好的网络结构，更是对***当前工作状态的一种浪费。在多跳传输的网络***中，每一轮的传输阶段都要搭建复杂的传输路径。所以再下一轮除了簇的重建，距基站较远的簇首，还要重新搭建路由。这也造成了能量的浪费。

（2）大部分应用环境需要无线传感器网络连续、稳定、实时的回传数据，以满足用户的需求。如果簇的重建时序过长，而又采用了轮循的工作方式，则在每轮开始阶段，网络***在进行簇的重组，和路由搭建，这便中断了数据往基站的回传。这给实时监控带来不便。

层次路由协议的网络结构示意图如图1所示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的上述缺陷，摒弃了轮循的工作方式，设计了一种无线传感器网络路由协议成簇方法-独立重建簇（IRC，independence reconstruction of cluster）来解决大规模无线传感器网络中，全网数据传输完成后，需要重新选举簇首，而导致的网络中节点的能耗消耗过大的问题。在这个阶段有的簇首能量还足够大，还能继续担任，如果重新选举簇头，这无疑会增加***的开销，影响网络的生存周期。

本发明解决上述问题的技术方法是：在网络初始化时由基站根据节点的地理位置信息对整个传感器网络进行合理分层和分簇，然后对所有节点设置层次号（Area）和簇号（CNum）进行标识。这样保证簇与簇之间保持相互独立，在某个簇轮换的时候不影响其它状态良好簇的正常工作，也不会造成整个网络结构的重新拓扑。由于网络的初始化是由基站统一配置，所以能保证簇在采集区域的均匀分布，并根据每个层次的宽度和簇的大小，建立求解最佳簇首数量的方程，保证簇的合理分布。同时，引入了辅助节点，负责侦听簇首的工作状况，一旦发现簇首节点突然死亡，则宣布自己为簇首节点，并代替簇首发布重建信息。在数据传输过程中，利用层次号标识保证数据传输路径都统一由高层到底层依次指向基站，不会出现回路，绕路，可以有效提高数据传输的效率。簇内节点以单跳的方式与簇首节点进行通信，簇首节点以多跳的方式与基站进行通信。

方法的具体步骤如下：

1）网络初始化

a、划分层次

在WSNs***工作前，首先以基站sink为圆心，以nR为半径将监测区域分为n层，其中R为临界值，n为大于零的正整数；

b、确定簇域

当传感器节点被随机铺设到监测区域后，通过GPS获取每个节点的坐标信息，然后将传感器节点的坐标和能量发送给基站，由基站根据监测区域的大小和传感器节点的数量在全网进行层次和簇的划分，建立层次号和簇号；然后确定簇域，簇域是基站在传感器网络初始化分簇时规定的一个簇的大小、节点个数和分布位置；然后在每个簇中选取能量最大，且距离最近的两个节点作为簇首节点和辅助节点，如果节点的初始能量都相同，则随机选取两个距离最近的节点；随后基站把这些配置信息通过全网广播发送给每个节点；由于第一层次距基站较近，基站位于第1层的中心。所以在第1层中没有簇首，第1层中中所有普通节点都与基站进行直接通信；

簇域在以后网络运中不会改变，簇的独立重建在单个簇域中进行，只更换簇首和辅助节点，而不会改变簇域；

c、确定每层簇数

簇域为扇形，其中第i层的簇域的数量

为：

2）、数据传输的实现

a、多跳传输路径的建立

簇间数据通信依靠多跳传输路径进行，除了第一层的节点可以直接发送数据到基站外，其它高层与基站间的数据通信要经过多跳的方式，通过桥节点将数据按照高层往低层的方向逐级跳的多跳传输路径传递到基站，桥节点只由普通节点担任，簇首或辅助节点不参与竞选桥节点；

b、簇间路由的建立

由数据通信多跳传输路径起始端所在簇的簇首首先广播消息Msg_FindNext至下一层，

下一层的普通节点收到该信息后，回传消息Msg_ElectB给上面的簇首，Msg_ElectB消息包含普通节点的ID、剩余能量和坐标，

c. 簇首分别计算与每个回传消息节点距离d和亲近度，亲近度是节点剩余能量PA和两节点之间的距离D的比值，选取亲近度最大的节点作为第一跳的桥节点或第一桥节点，

d. 簇首发送Msg_BeB消息给第一桥节点进行确认，第一跳的路径搭建完成；

e.随后第一桥节点继续发送Msg_FindNext给再下一层，并依据亲近度寻找下一桥节点；

以此类推，直到消息到达基站时，整条由起始簇首到基站的多跳传输路径建立成功。

辅助节点用于簇的重组实现，辅助节点的选举标准是和簇首的亲近度最大的成员节点，所谓亲近度就是成员节点剩余能量PA和该节点到簇首的距离D的比值；辅助节点的功能如下：

a、辅助节点不进行数据采集

b、在簇重组时，辅助节点直接继承为簇首，并按照辅助节点的选取规则重新选取自己的辅助节点；

c、辅助节点负责侦听簇首的工作状况，一旦发现簇首节点突然死亡，则宣布自己为簇首节点，并代替簇首发布重建信息；

有两种情况需要进行簇的重建：簇首的突然死亡和簇首的能量消耗过大；

簇的重建过程如下：

首先成员节点接收到Msg_CHDead后则停止发送数据给簇首，辅助节点接收到Msg_CHDead或得知簇首死亡时，将本地状态设为簇首，然后在簇内广播消息Msg_CReBulid，成员节点接收到Msg_CReBulid后，将本地的簇首ID更新为该信息的Source_ID，即原辅助节点ID，然后向新簇首发送Msg_ElectS消息，Msg_ElectS包含成员节点的剩余能量、坐标和ID，新簇首会依次计算和每个成员节点的亲近度，亲近度最大的节点则当选为新的辅助节点。新的辅助节点被选举后，就不再进行数据采集了；随后新簇首会向全簇广播消息Msg_OKBulid消息，告知成员节点，簇的重建工作已经完成，可以正常的发送数据到簇首；簇的重建过程中所传输的所有消息，都带有源节点的ANum和CNum，如果簇外的传感器节点接收到这些信息，消息中的ANum、CNum与本地的不同，则这些消息被忽略，不做任何处理，这样就保证了簇的独立重建。

数据传输的实现中对于同一条传输路径使用一定时间后，其中的一些桥节点会出现能量消耗过快的现象，这些节点必须退出路径以避免节点过早死亡，需要采用路径补救实现方法：即当某条路径中的某桥节点的能量消耗达到某一阈值，需要退出路径，步骤如下：

（1）首先某桥节点发送包含下一跳桥节点的ID的消息Msg_QuitB给自己的上一跳桥节点，然后该桥节点重新成为普通节点；

（2）上一跳桥节点按照前述的簇间路由的建立方法，重新发送Msg_ReFindNext寻找到下一跳桥节点。

本发明具有如下优点：

（1）与传统的层次路由协议的分簇方法不同，本发明对所有节点设置层次号和簇号进行标识，并计算出每层合理的簇数，设计了合理的网络拓扑结构，解决了传统路由协议的簇域分布过多，基站对网络的管理更加繁琐和复杂的问题。

（2）本发明提出的独立重建簇的方法有效地平衡簇首节点与簇内节点之间的能量消耗，有效地提高了簇头节点基站进行通信的效率，显著的延长了网络的生存周期。

（3）本发明通过辅助节点对簇首节点进行实时的监听，防止因簇首突然死亡，整个簇失去管理，成员节点收不到簇重建消息，仍不停的发送数据，浪费能量。

（4）本发明在数据传输过程中，设计了合理的路径补救策略，有效地提高了数据传输的效率与完整性。

附图说明

图1：无线传感器网络层次路由协议的结构示意图；

图2：本发明的网络结构示意图；

图3：本发明的路径补救策略示意图；

图4：本发明的总流程图；

图5：本发明的簇的独立重建流程图；

图6：本发明的路由搭建的流程图；

图7：本发明的路由补救流程图。

具体实施方式：

本发明通过独立重建簇的方法，在网络初始化时对所有节点设置层次号和簇号进行标识，同时选举出簇首与辅助节点，保证簇的健壮性，并确定了每层簇的数量，保证网络中所有节点合理的分布。在数据的传输过程中，设计合理的路径补救策略，簇内节点以单跳的方式与簇首节点进行通信，簇首节点以多跳的方式与基站进行通信，可以有效提高数据传输的效率。通过该发明可以有效地平衡簇首节点与簇内节点之间的能量消耗，有效地提高了簇头节点基站进行通信的效率，显著的延长了网络的生存周期。附录1是本发明所用到的节点的数据结构；附录2是本发明的主要的报文类型及其说明。

本发明的具体实施过程如下：

1. 网络初始化

在本发明中使得每个簇相互独立，一个簇的簇首需要轮换只需在本簇内进行，不影响其它簇的工作。这样会减少重新组簇的开支。

在无线传输模型中，R是本协议的一个重要参数。节点i传输能耗公式为:

（1）

其中L是传输的字节数，

为电路消耗的能量，

和

分别是自由空间传输参数和多路衰减参数，D为传输距离，R为临界值。可知当传输距离大于临界值R时，能量消耗大大增加。所以本发明中所有的传输距离都控制在R之下。

（1）划分层次

在WSNs***工作前，首先以sink为圆心，以R，2R，3R…（n-1）R，nR为半径将监测区域分为n层，其中n为大于零的正整数。

（2）确定簇域

当传感器节点被随机铺设到监测区域后，我们可以通过GPS获取每个节点的坐标信息，然后将传感器节点的坐标和能量发送给基站，由基站进行计算、统计。基站根据监测区域的大小和传感器节点的数量在全网进行层次和簇的划分，以及在每个簇中选取能量最大，且距离最近的的两个节点作为簇首节点和辅助节点（如果节点的初始能量都相同，则随机选取两个距离最近的节点）。随后基站把这些配置信息通过全网广播发送给每个节点。由于第一层次距基站较近，基站位于第1层的中心。所以在第1层中没有簇首，所有普通节点都与基站进行直接通信。

在划分好层次和簇之后，需要确定每个簇的大小-簇域（ClusterZone）。簇域即基站在传感器网络初始化分簇时规定的一个簇的大小、节点个数和分布位置。簇域在以后网络运中不会改变的。簇的独立重建在单个簇域中进行，只更换簇首和辅助节点，而不会改变簇域。

设第i

层圆环的宽度是=R，它的簇域的半径是

。为了保证一个簇域可以完全覆盖所在层次圆环的宽度。簇域的的半径

首先必须要满足。

其次设传感器节点的节点随机分布服从泊松分布，铺设的密度为

，且簇首位于簇域的中心。S是簇域的面积，。为了能够将所有的监测区域覆盖到，在网络结构示意图中簇域表示为扇形。簇域内传感器节点个数n为

。节点j的坐标为

，

是节点j距簇首的距离，则距离期望可表示为：

（2）

而节点i传输单位数据的总能耗为：

（3）

（4）

所以该簇的传输总能耗为：

（5）

由以上公式可得知：r越大，一个簇的传输总能耗越大，所以在IEC-HRP协议中取值

。

（3）确定每层簇数

由于簇域在网络初始化设定好之后不再变化，所以簇域的布局要必须要完全覆盖所在区域。

本文发明采用扇形的簇域，作为扇形增加节点的数量并不多，所以和圆形簇域相比，簇的能耗变化不大，且大大减少了每一层的簇的数量，方便基站对网络***的管理。

其中第i层簇域的数量为：

（6）

初始化后的网络结构示意图为图2所示。

2. 数据传输阶段实现方法

本发明中簇间数据通信主要是依靠多跳的方式。除了第一层的簇首距基站较近，可以直接发送数据到基站，其它高层的簇首都要经过多跳的方式，逐跳的将数据按照高层往底层的方向传递到基站。

（1）桥节点的定义

多跳传输路径的中间节点，在本发明中称为桥节点。桥节点只由普通成员节点担任。簇首或辅助节点承担着管理簇的工作，为了节省能量以维持簇的最长正常工作时间，所以簇首和辅助节点不参与竞选桥节点，

（2）簇间路由的建立

以下所用报文类型说明见附录2。

例如，当N层的某个簇首A有数据需要回传基站时，则开始进行路由搭建:

a.簇首A首先广播消息Msg_FindNext至N-1层。

b.第N-1层的普通节点收到该信息后，回传消息Msg_ElectB给A。Msg_ElectB消息包含普通节点的ID、剩余能量和坐标。

c.A分别计算与每个回传消息节点距离d和亲近度（即PA/d），选取亲近度最大的节点B，作为下一跳桥节点。A节点设A.Next=B。

d. 簇首 A发送Msg_BeB消息给B节点进行确认，B节点设B.Last=A。这样一跳的路径搭建完成。

e.随后B节点继续发送Msg_FindNext给N-2层，寻找下一跳节点。

以此类推，直到消息到达基站时，整条由簇首A到基站的传输路径建立成功。接着基站反向沿这条路径发送消息Msg_OK通知簇首A可以开始发送数据（Msg_Data）。

3. 簇的重组实现方法

本发明中引入辅助节点的概念。在网络初始化阶段，辅助节点的选举和簇首的选举一样都是有基站任命的。辅助节点就是作为下一任簇首被选中的，其选举标准是和簇首的亲近度最大的成员节点。所谓“亲近度”就是成员节点剩余能量PA和该节点到簇首的距离D的比值。

辅助节点的功能如下：

（1）辅助节点不进行数据采集

（2）在簇重组时，辅助节点直接继承为簇首，并按照辅助节点的选取规则重新选取自己的辅助节点。

（3）辅助节点负责侦听簇首的工作状况，一旦发现簇首节点突然死亡，则宣布自己为簇首节点，并代替簇首发布重建信息。

引入辅助节点的好处：

（1）侦听簇首节点的生存状况，防止因簇首突然死亡，整个簇失去管理，成员节点收不到簇重建消息，仍不停的发送数据，浪费能量。而辅助节点可以代替突然死亡的簇首管理簇。

（2）簇首节点和辅助节点共同管理簇，而它们同时突然死亡的概率很小，这从一方面提高了簇的容错性和健壮性。

（3）辅助节点能量仅次于簇首，且距簇首最近。由辅助节点直接继承簇首保证了周围成员节点的簇内拓扑结构不用发生大的变化。

（4）辅助节点除了进行简单的侦听工作，不进行数据采集和接收。这使得辅助节点能能消耗极小，满足做簇首的条件。

以下所用报文类型说明见附录2。

有两种情况需要进行簇的重建：簇首的突然死亡和簇首的能量消耗过大。由于簇首节点既要采集数据，又要进行全簇的数据融合和簇内成员节点的管理，所以簇首的能量消耗远大于成员节点。为了防止簇首因能量耗尽而死亡，所以设定当簇首能量低于一定阈值时，便宣告不再为簇首节点，并发送消息Msg_CHDead至全簇节点。但此时簇首节点并未退出***，只是变成成员节点，负责采集数据，发送给下一任簇首。

簇首也有可能受到外界因素影响突然死亡。此时由于本协议在簇内设定了一个辅助节点用来侦听簇首的活动情况。所以一旦在一定时隙内，辅助节点得知簇首已经死亡，则代替簇首广播Msg_CHDead消息。

具体的簇的重建过程如下：

首先成员节点接收到Msg_CHDead后则停止发送数据给簇首。辅助节点接收到Msg_CHDead或得知簇首死亡时，将本地状态设为簇首，然后在簇内广播消息Msg_CReBulid。成员节点接收到Msg_CReBulid后，将本地的簇首ID更新为该信息的Source_ID，即上个辅助节点ID，然后向新簇首发送Msg_ElectS消息。Msg_ElectS包含成员节点的剩余能量、坐标和ID。新簇首会依次计算和每个成员节点的“亲近度”，亲近度最大的节点则当选为新的辅助节点。辅助节点被选举后，就不再进行数据采集了。随后新簇首会向全簇广播消息Msg_OKBulid消息，告知成员节点，簇的重建工作已经完成，可以正常的发送数据到簇首。

特别的是，簇的重建过程中所传输的所有消息，都带有源节点的ANum和CNum。如果簇外的传感器节点接收到这些信息，消息中的ANum、CNum与本地的不同，则这些消息被忽略，不做任何处理。这样就保证了簇的独立重建。

4. 路径补救策略实现方法

以下所用数据结构、报文类型说明见附录1、2。

同一条传输路径使用一定时间后，其中的一些节点会出现能量消耗过快的现象，必须退出路径以避免节点过早死亡。本发明采用为退出节点寻找替补的补救策略重新填补路径，而不用重新搭建路径。

例如，某条路径中的节点B的能量消耗达到某一阈值，需要退出路径：

（1）首先B节点发送包含下一跳节点C的ID的消息Msg_QuitB给自己的上一跳节点A，而B节点重新成为普通节点，Node(B).Type=1。

（2）节点A按照上述路由搭建的方法，重新发送Msg_ReFindNext寻找到下一跳节点D。D则回传了消息Msg_ReElectB。

（3）A发送包含节点C的ID的消息Msg_NextNext给D。D将设置D.last=A，D.Next=C，从而完成对节点B的替补，填补了整个路径，使数据传输可以继续进行。

路径补救策略如图3所示。

5.本发明工作总流程

在本发明的组簇方法中，当网络中任意一个节点i，在正常工作状态下，对接收到信息的处理包括簇的独立重建、簇间路由的搭建和路由补救策略，其总的流程如图4所示。

以下所用报文类型说明见附录2。

（1）节点i收到信息后，首先判断信息的类型。如果是簇重建类消息（Msg_CHDead/ Msg_CReBulid/Msg_ElectS/Msg_BeS/Msg_

OKBulid），接着判断发送消息的源节点是否和本地节点在同一个层次同一个簇。如果是，则进入簇的重建过程，如图5所示；如果不是，则忽略此消息。

（2）若消息类型是路由搭建类（Msg_FindNext/Msg_ElectB/Msg_BeB），接着判断发送消息的源节点是否处于本地节点上一层。如果是，则进入路由搭建过程，如图6所示；如果不是，则忽略此消息。

（3）若消息类型是路由补救类（Msg_QuitB/Msg_-ReFindNext/Msg_Re

-ElectB/Msg_NextNext），接着判断发送消息的源节点是否处于本地节点的上一层。如果是，则进入路由搭建过程，如图7所示；如果不是，则忽略此消息。

若消息类型是数据类（Msg_Data），则判断发送消息的源节点是否和本地节点处于同一层次同一簇，如果是接着判断本地节点的节点类型。如果是簇首则对消息进行处理和融合，如果是辅助节点或成员节点则忽略此消息。如果消息的源节点是来自上一层，则转发给下一跳节点。

附录1

数据结构：

typedef Node

{

unsigned int ID; // 节点的物理编号

unsigned int ANum; // 节点所属层次

unsigned int CNum; // 所属簇号

unsigned int CHNum; // 所属簇的簇首节点物理编号

unsigned char Type //0 普通节点；1 簇首节点； 2辅助节点； //3桥节点；

unsigned float PA; // 节点剩余能量

node next; //下一跳节点

node last; //上一跳节点

}

附录2

报文结构：

报文类型：

Msg_CHDead：簇首退出报文，由簇首/辅助节点发送。此报文包含该簇首/辅助节点所在的层次号ANum、CNum。收到此消息的普通节点获知簇首已宣布退出，立即停止发送消息给簇首。

Msg_CReBulid：簇的重建报文，由辅助节点发送。此报文包含该簇首/辅助节点所在的层次号ANum、CNum。收到此消息的成员节点将设置本地的Node.CH= Msg_CReBulid. Source_ID，并开始竞选辅助节点。

Msg_ElectS：竞选辅助节点报文，由成员节点发送给簇中的簇首。此报文包含成员节点的PA、Loc。

Msg_BeS：任命辅助节点报文，由簇首节点发送给目的节点。目的节点收到后自己成为辅助节点，停止数据采集。

Msg_OKBulid：簇的重建完成报文，由簇首节点发送给成员节点。此报文包含簇首所在的ANum、CNum。簇中成员节点收到此报文后，开始继续按照时序发送数据给簇首。

Msg_FineNext：寻找下一跳节点报文，由簇首或成员节点发送。此报文包含源节点所在的ANum。只有下一层的普通节点收到此报文才做出回应。

Msg_ElectB：竞选桥节点报文，由成员节点发送。此报文包含源节点的PA、Loc。

Msg_BeB：任命桥节点报文，由簇首或成员节点发送给目的节点。目的节点收到后，成为源节点的下一跳节点，并开始寻找自己的下一跳节点。

Msg_QuitB：桥节点退出报文，由成员节点发送给上一跳节点。此报文包含下一跳节点的ID。

Msg_ReFindNext：重新寻找下一跳节点报文，由簇首或成员节点发送。此报文包含源节点所在的ANum。只有下一层普通节点收到此报文才做出反应。

Msg_ReElectB：重新竞选桥节点报文，由成员节点发送。此报文包含源节点的PA，Loc。

Msg_NextNext：重新任命桥节点报文，由簇首/成员节点发送。此报文包含源节点的下一跳节点ID。

Msg_OK：路由搭建成功报文，由基站/成员节点回传给上一跳节点。

Msg_Data：数据报文，由簇首/成员节点发送。此报文包含采集的数据量。

Claims

1.一种无线传感器网络层次路由协议的组簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）网络初始化

a、划分层次

b、确定簇域

当传感器节点被随机铺设到监测区域后，通过GPS获取每个节点的坐标信息，然后将传感器节点的坐标和能量发送给基站，由基站根据监测区域的大小和传感器节点的数量在全网进行层次和簇的划分，建立层次号和簇号；然后确定簇域，簇域是基站在传感器网络初始化分簇时规定的一个簇的大小、节点个数和分布位置；然后在每个簇中选取能量最大，且距离最近的两个节点作为簇首节点和辅助节点，如果节点的初始能量都相同，则随机选取两个距离最近的节点；随后基站把配置信息通过全网广播发送给每个节点；由于第一层次距基站较近，基站位于第1层的中心，所以在第1层中没有簇首节点，第1层中所有普通节点都与基站进行直接通信；

簇域在以后网络运行中不会改变，簇的独立重建在单个簇域中进行，只更换簇首节点和辅助节点，而不会改变簇域；

c、确定每层簇数

簇域为扇形，其中第i层的簇域的数量NumC_i为：

式中x_i为上述划分层次后第i层圆环的宽度；

2）数据传输的实现

a、多跳传输路径的建立

簇间数据通信依靠多跳传输路径进行，除了第一层的节点直接发送数据到基站外，其它高层与基站间的数据通信要经过多跳的方式，通过桥节点将数据按照高层往低层的方向逐级跳的多跳传输路径传递到基站，桥节点只由普通节点担任，簇首节点或辅助节点不参与竞选桥节点；

b、簇间路由的建立

由数据通信多跳传输路径起始端所在簇的簇首节点首先广播消息Msg_FindNext至下一层，下一层的普通节点收到Msg_FindNext消息后，回传消息Msg_ElectB给上面的簇首节点，Msg_ElectB消息包含普通节点的ID、剩余能量和坐标；

c、簇首节点分别计算与每个回传消息节点距离d和亲近度，亲近度是节点剩余能量PA和两节点之间的距离D的比值，选取亲近度最大的节点作为第一跳的桥节点或第一桥节点；

d、簇首节点发送Msg_BeB消息给第一桥节点进行确认，第一跳的路径搭建完成；

e、随后第一桥节点继续发送Msg_FindNext给再下一层，并依据亲近度寻找下一桥节点；

以此类推，直到消息到达基站时，整条由起始簇首节点到基站的多跳传输路径建立成功。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络层次路由协议的组簇方法，其特征在于，所述簇首节点位于簇域的中心。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络层次路由协议的组簇方法，其特征在于，辅助节点用于簇的重组实现，辅助节点的选举标准是和簇首节点的亲近度最大的成员节点，所述亲近度就是成员节点剩余能量PA和该成员节点到簇首节点的距离D的比值；辅助节点的功能如下：

a、辅助节点不进行数据采集；

b、在簇重组时，辅助节点直接继承为簇首节点，并按照辅助节点的选取规则重新选取自己的辅助节点；

c、辅助节点负责侦听簇首节点的工作状况，一旦发现簇首节点突然死亡，则宣布自己为新簇首节点，并代替原簇首发布重建信息；

簇的重建过程如下：

首先成员节点接收到Msg_CHDead后则停止发送数据给簇首节点，辅助节点接收到Msg_CHDead或得知簇首节点死亡时，将本地状态设为簇首节点，然后在簇内广播消息Msg_CReBulid，成员节点接收到Msg_CReBulid后，将本地死亡簇首节点的ID更新为原辅助节点ID，然后向新簇首节点发送Msg_ElectS消息，Msg_ElectS包含成员节点的剩余能量、坐标和ID，新簇首节点会依次计算和每个成员节点的亲近度，亲近度最大的节点则当选为新的辅助节点；

新的辅助节点被选举后，就不再进行数据采集了；随后新簇首节点会向全簇广播Msg_OKBulid消息，告知成员节点，簇的重建工作已经完成，可以正常的发送数据到新簇首节点；簇的重建过程中所传输的所有消息，都带有源节点的ANum和CNum，所述源节点的ANum和CNum分别是源节点所属层次和所属簇号，如果簇外的传感器节点接收到消息中的ANum、CNum与本地的不同，则这些消息被忽略，不做任何处理，这样就保证了簇的独立重建。

4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络层次路由协议的组簇方法，其特征在于，步骤2）数据传输的实现中对于同一条传输路径使用一定时间后，其中的一些桥节点会出现能量消耗过快的现象，这些桥接节点必须退出路径以避免节点过早死亡，需要采用路径补救实现方法：即当某条路径中的某桥节点的能量消耗达到某一阈值，需要退出路径，步骤如下：

（2）上一跳桥节点按照权利要求1步骤2）的簇间路由的建立方法，重新发送Msg_ReFindNext寻找到下一跳桥节点。