CN102983948B - 一种无线传感网络自适应聚类传输方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线传感网络自适应聚类传输方法及其装置的技术方案，该方案包括中央处理器，所述的中央处理器与功率控制器连接，所述的功率控制器分别与发射天线和接收天线连接，所述的中央处理器还分别与存储器、休眠计数器、GPS定位模块连接，另外，有一电源模块与中央处理器连接，给整个装置供电。该方案可以大幅延长全网的寿命，在每一轮的传输过程中基站统计全网的地理和能量信息，并在新一轮开始前将这些信息广播至全网；无线传感器节点使用广泛的地理和能量信息作出更加明智的存储、路由和传输选择。

Description

一种无线传感网络自适应聚类传输方法及其装置

技术领域：

本发明涉及的是一种用于无线传感网络的自适应聚类传输方法及其装置。

背景技术：

在现有技术中，公知的技术是在无线传感器网络监测监控领域之中，经常需要使网络工作在自然环境极其恶劣，甚至人类无法到达的区域，这导致无线传感器网络中的节点很多都无法补充能量；同时受限于当前电池生产工艺的瓶颈，以及制造成本等方面的考虑，无线传感器节点的能量通常又非常有限；以上两个原因使得在无线传感器领域中存在的首要问题即能耗问题。研究表明，无线传感器在工作中的能量绝大部分消耗在无线通信模块，也即消耗在信息的转发过程中，所以如何减少这部分的能耗就是无线传感器研究领域的一个重点。

无线传感器网络用以节约能耗的主要手段即均衡利用能量和建立节能路由，无论是单跳通信还是多跳通信，当通信距离发生较大变化时都会导致节点在能量使用上的不均衡，这种情况一旦得不到有效遏制则很容易造成通信负荷较大的节点能量耗尽而成为死亡节点，当死亡节点大幅增加时就会形成网络空洞，进而导致网络整体效能的直线下降乃至网络瘫痪。均衡利用能量的基本思想就是避免出现网络空洞，通过相对复杂的计算和控制机制来平衡全网的能量消耗，但这样同时也会引入额外的控制开销。同样建立节能路由也是针对全网而非单个节点的能量消耗，对于理想的通信环境而言最佳路由即通信能耗最小的路由。在路由选择的同时，使用单径通道可以节省计算和存储方面的开销，而使用多径通道却又能对数据传输的可靠性提供更高的保证，这使得节能路由选择方面的考虑更加复杂。

无线传感器网络用以节约能耗的另一个重要手段就是数据融合，也即节点将接收到的数据进行相干解析或压缩编码，从而降低信息的冗余度。在无线传感器网络中节点会收集到大量的信息，但是又受到能量与时间的限制不能将所有信息全部发送至基站，所以通过信息融合技术可以将处理后的有效信息以最小能量代价传递给基站，这样既可以节约能量又降低了路径拥塞几率，从总体上提高了无线传感器网络收集数据的效率。无线传感网络中的数据融合技术包括数据交换、数据聚集、编解码技术等，在分簇网络结构中数据融合的任务通常由各簇头节点完成，这也导致簇头节点在其工作周期之内相对普通节点要进行更多的运算和操作，从而更进一步加大了簇头节点的能耗，也更容易产生网络空洞。

无线传感器路由协议与应用领域高度相关，因为单一的路由协议无法满足各类需求，故而无线传感器网络的路由协议也尤其丰富，可以依据其通信模式、网络结构、路由建立、状态维护、节点标识及投递方式等进行广泛的分类。其中依据网络结构将其划分为平面路由协议、层次路由协议和基于地理信息的路由协议。总体而言在非基于地理信息的路由协议中传感器节点要承担更多的感知和计算任务，这些都会对节点的能耗产生较大的影响；此外研究表明层次型路由协议在节能性能之上要普遍优于平面型路由协议，但由于在对全网信息的准确把握方面还存在缺陷，其性能有时也会非常不稳定。，这是现有技术所存在的不足之处。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种用于无线传感网络的自适应聚类传输方法及其装置的技术方案，该方案可以大幅延长全网的寿命，在每一轮的传输过程中基站统计全网的地理和能量信息，并在新一轮开始前将这些信息广播至全网；无线传感器节点使用广泛的地理和能量信息作出更加明智的存储、路由和传输选择。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种无线传感器网络自适应聚类传输方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对节点进行初始化；

2)选取簇头节点，簇头节点广播自身的簇头地位，所有未当选簇头节点的普通节点依据距离相近的原则请求加入簇头节点，簇头节点接收到请求加入的消息后，生成一个TDMA定时信息表和CDMA扩频编码，将它们与允许节点加入的消息一同发送到请求节点，直至全网节点都确认加入某个簇节点；

3)数据传输时，构建全部的簇头节点之间的最小生成树。

所述的步骤2)根据节点的能量水平筛选簇头节点,凡是能量水平未能达到阈值E_c的候选节点都将即时解除候选节点的身份，这样经过两步选取之后即可得到新的簇头节点集合c(m)，其中阈值E_c可表示为如下式：

$E_c=f\left(E_r\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{n-dead}{\Σ}}{E}_i\right)/(n-dead)$

式中dead为本轮初始化时的死亡节点数，n为所有节点数，E_i为第i个存活节点的能量值。此外考虑到网络最优簇头节点数目的限制，如果c(m)集合中的m大于簇头节点数目上限阈值N_c，协议就将对c(m)集合进行再一次的筛选，将其中能量水平较低的一部分淘汰，最终得到可用于通信的簇头节点集合c(l)，m表示候选节点，l表示可用于通信的簇头节点。

所述的步骤2)中点当选簇头节点后实施一定的休眠以降低其迅速死亡的概率，如果传感器节点S(i)在某一轮中当选为簇头节点，则同时将其休眠计数器数值置为T。每轮传输中各节点将自身的休眠周期信息发送给基站，而基站则在每轮开始时将各节点的休眠周期信息广播至全网，这样在数据传输的时候节点首先检查自身的休眠周期是否为0，如果是则正常参与传输，如果不是则将休眠计数值减1，之后将数据发送至最近的休眠周期为0且能量水平较佳的节点。如果不存在这样的转接节点，则该节点进入完全休眠状态，即本轮监测的数据将不再上传，而是存储下来，等待与下一轮的监测数据进行数据融合之后一并发送。

所述的步骤3)通过PRIM算法构建全部簇头节点之间的最小生成树,在计算邻接边权值的时候通过计算全部簇头节点的平均能量水平来评价各节点之间的隐藏通信权值，使得能量水平相对较低的簇头节点所属邻接边权值相应增大，从而降低该邻接边选入最小生成树的概率，也即降低两端节点频繁转接数据的可能性，具体公式如下所示：

W_c＝W/(E_a+E_b)

式中W_c为考虑了隐藏权值属性后的最终权值，W为原始权值也即簇头节点之间的距离，E_a与E_b分别为邻接边两端相邻簇头节点的当前归一化能量值。

一种用于无线传感器网络自适应聚类传输方法的无线传感器装置，包括中央处理器，所述的中央处理器与功率控制器连接，所述的功率控制器分别与发射天线和接收天线连接，所述的中央处理器还分别与存储器、休眠计数器、GPS定位模块连接，另外，有一电源模块与中央处理器连接，给整个装置供电。

无线传感器节点装置在选取簇头节点的时候主要使用经过优化的分布式策略，避免低能量节点当选为簇头节点，在此基础上再结合集中式的策略，由基站***统计并限制单轮工作中的簇头节点数目上限，实现簇头节点数目及平均能量的最优化。在建立簇头节点之间的最小生成树的时候主要使用经过优化的集中式策略，降低低能量节点频繁转接数据的概率，在此基础上再结合分布式的策略，考虑网络区域大小与基站位置对传输性能的影响，使用两跳中继传输提高传输效率。在节点当选为簇头节点的情况下，使用分布式的休眠策略降低该节点在一段时间内能量过耗的概率，通过降低数据传输频率尤其是远距离数据传输频率来保护低能量节点。为了保证在休眠同时监测质量不致下降太多，初始休眠周期的设置不可太大。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明：

图1为本发明具体实施方式的结构示意图。

图中，1为中央处理器，2为功率控制器，3为发射天线，4为接收天线，5为存储器，6为休眠计数器，7为GPS定位模块，8为电源模块。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

本方案的无线传感器网络自适应聚类传输方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对节点进行初始化；

2)选取簇头节点，簇头节点广播自身的簇头地位，所有未当选簇头节点的普通节点依据距离相近的原则请求加入簇头节点，簇头节点接收到请求加入的消息后，生成一个TDMA定时信息表和CDMA扩频编码，将它们与允许节点加入的消息一同发送到请求节点，直至全网节点都确认加入某个簇节点；

3)数据传输时，构建全部的簇头节点之间的最小生成树。

所述的步骤2)根据节点的能量水平筛选簇头节点,凡是能量水平未能达到阈值E_c的候选节点都将即时解除候选节点的身份，这样经过两步选取之后即可得到新的簇头节点集合c(m)，其中阈值E_c可表示为如下式：

$E_c=f\left(E_r\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{n-dead}{\Σ}}{E}_i\right)/(n-dead)$

式中dead为本轮初始化时的死亡节点数，E_i为第i个存活节点的能量值。此外考虑到网络最优簇头节点数目的限制，如果c(m)集合中的m大于簇头节点数目上限阈值N_c，协议就将对c(m)集合进行再一次的筛选，将其中能量水平较低的一部分淘汰，最终得到可用于通信的簇头节点集合c(l)。

所述的步骤2)中点当选簇头节点后实施一定的休眠以降低其迅速死亡的概率，如果传感器节点S(i)在某一轮中当选为簇头节点，则同时将其休眠计数器数值置为T。每轮传输中各节点将自身的休眠周期信息发送给基站，而基站则在每轮开始时将各节点的休眠周期信息广播至全网，这样在数据传输的时候节点首先检查自身的休眠周期是否为0，如果是则正常参与传输，如果不是则将休眠计数值减1，之后将数据发送至最近的休眠周期为0且能量水平较佳的节点。如果不存在这样的转接节点，则该节点进入完全休眠状态，即本轮监测的数据将不再上传，而是存储下来，等待与下一轮的监测数据进行数据融合之后一并发送。

所述的步骤3)通过PRIM算法构建全部簇头节点之间的最小生成树,在计算邻接边权值的时候通过计算全部簇头节点的平均能量水平来评价各节点之间的隐藏通信权值，使得能量水平相对较低的簇头节点所属邻接边权值相应增大，从而降低该邻接边选入最小生成树的概率，也即降低两端节点频繁转接数据的可能性，具体公式如下所示：

W_c＝W/(E_a+E_b)

式中W_c为考虑了隐藏权值属性后的最终权值，W为原始权值也即簇头节点之间的距离，E_a与E_b分别为邻接边两端相邻簇头节点的当前归一化能量值。除此之外考虑基站位置对全网性能的影响，对全网依据与基站的距离进行区域划分，以基站为圆心而d₀≈87.7m为半径确定一个圆形区域并称其为近基站区域，而网络剩余区域为远基站区域。由于近基站区域内的簇头节点与基站的通信均为自由空间模式，所以相对能耗最低，更多的可以作为多跳传输的最后一跳中继。这样当远基站区域范围内的节点一旦检测到其d₀半径范围内有近基站簇头节点则不必再参与生成树，而是直接将数据递交给该簇头节点；而同时为了防止近基站区域内簇头节点能量过度消耗还需要加入一定的能量限制，将E_S＝E_ss/2作为两跳中继簇头节点能量下限，其中E_ss为所有近基站区域内簇头节点平均能量值。

一种用于无线传感器网络自适应聚类传输方法的无线传感器装置，包括中央处理器1，所述的中央处理器1与功率控制器2连接，所述的功率控制器2分别与发射天线3和接收天线4连接，所述的中央处理器1还分别与存储器5、休眠计数器6、GPS定位模块7连接，另外，有一电源模块8与中央处理器1连接，给整个装置供电。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络自适应聚类传输方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对节点进行初始化；

2)选取簇头节点，根据节点的能量水平筛选簇头节点,凡是能量水平未能达到阈值E_c的候选节点都将即时解除候选节点的身份，这样经过两步选取之后即可得到新的簇头节点集合c(m)，其中阈值E_c可表示为如下式：

$E_c=\left(\underset{i=1}{\overset{n-dead}{\Σ}}{E}_i\right)/(n-dead)$

式中dead为本轮初始化时的死亡节点数，n为所有节点数，E_i为第i个存活节点的能量值，此外考虑到网络最优簇头节点数目的限制，如果c(m)集合中的m大于簇头节点数目上限阈值N_c，就将对c(m)集合进行再一次的筛选，将其中能量水平较低的一部分淘汰，最终得到可用于通信的簇头节点集合c(l)，m表示候选节点，l表示可用于通信的簇头节点；

簇头节点广播自身的簇头地位，所有未当选簇头节点的普通节点依据距离相近的原则请求加入簇头节点，簇头节点接收到请求加入的消息后，生成一个TDMA定时信息表和CDMA扩频编码，将它们与允许节点加入的消息一同发送到请求节点，直至全网节点都确认加入某个簇头节点；

当选簇头节点后实施一定的休眠以降低其迅速死亡的概率，如果传感器节点S(i)在某一轮中当选为簇头节点，则同时将其休眠计数器数值置为T；每轮传输中各节点将自身的休眠周期信息发送给基站，而基站则在每轮开始时将各节点的休眠周期信息广播至全网，这样在数据传输的时候节点首先检查自身的休眠周期是否为0，如果是则正常参与传输，如果不是则将休眠计数值减1，之后将数据发送至最近的休眠周期为0且能量水平较佳的节点；如果不存在这样的转接节点，则该节点进入完全休眠状态，即本轮监测的数据将不再上传，而是存储下来，等待与下一轮的监测数据进行数据融合之后一并发送；

3)数据传输时，构建全部的簇头节点之间的最小生成树。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络自适应聚类传输方法，其特征是：所述的步骤3)通过PRIM算法构建全部簇头节点之间的最小生成树,在计算邻接边权值的时候通过计算全部簇头节点的平均能量水平来评价各节点之间的隐藏通信权值，使得能量水平相对较低的簇头节点所属邻接边权值相应增大，从而降低该邻接边选入最小生成树的概率，也即降低两端节点频繁转接数据的可能性，具体公式如下所示：

W_c＝W/(E_a+E_b)

式中W_c为考虑了隐藏权值属性后的最终权值，W为原始权值也即簇头节点之间的距离，E_a与E_b分别为邻接边两端相邻簇头节点的当前归一化能量值。

3.一种用于权利要求1所述方法的无线传感器装置，其特征是：包括中央处理器，所述的中央处理器与功率控制器连接，所述的功率控制器分别与发射天线和接收天线连接，所述的中央处理器还分别与存储器、休眠计数器、GPS定位模块连接，另外，有一电源模块与中央处理器连接。