CN103124421B - 一种无线传感器网络中移动节点的分簇方法 - Google Patents
一种无线传感器网络中移动节点的分簇方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种无线传感器网络中移动节点的分簇方法，随着无线移动节点传感器网络的发展，现有的无线传感器网络大多数是假设所有的节点都是固定的，所以大多数分簇广播方案都是针对固定节点设计的，但在一些特殊的场景中节点是可以连续移动的，此时的路由和网络拓扑是动态变化的，也就是分簇过程也是动态变化的，针对固定节点的分簇广播方案显然不能很好的满足节点移动的网络，本方案考虑到诸多因素后可以很好的解决节点移动过程中的分簇，同时还考虑到了当存在死节点时网络的连通性问题。
Description
技术领域
本发明为一种无线传感器网络中移动节点的分簇方案，该方案主要用来实现在无线传感器网络中节点移动时节点之间的分簇广播通信，本方案属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
近年来包含移动节点的无线传感器网络逐渐得到了广泛的应用，无线移动传感器网络是一种无基础设施、多跳、自组织的网络。该网络采用无中心分布式控制的方式进行组网，节点既是主机，又充当路由器的角色，通过无线信道进行通信。当网络规模较大时，为了减少路由和控制开销，提高网络的可扩充性和资源的使用率，无线移动传感器网络常常采用基于簇的分级结构，而这种分簇分级结构的形成和维护依赖于某种分簇算法。传统的无线传感器网络大多数是假设所有的节点都是固定的，所以大多数分簇广播方案都是针对固定节点设计的，但在一些特殊的场景中节点是可以连续移动的，此时的路由和网络拓扑是动态变化的，也就是分簇过程也是动态变化的，针对固定节点的分簇广播方案显然不能很好的满足节点移动的网络，本方案综合诸多因素可以很好的解决节点移动过程中的节点分簇问题，同时还考虑到了当存在死亡节点或者节点休眠时网络的连通性问题。
发明内容
技术问题：无线移动传感器网络是一种无基础设施、多跳、自组织的网络。当网络较大时，为了减少控制和路由开销，提高网络的可扩充性和资源的使用效率，无线移动传感器网络常常采用基于簇的分级结构，而这种分簇分级结构的形成和维护依赖于某种分簇算法，本发明针对无线移动传感器网络提出一种分簇算法，并且综合考虑到节点的移动性，节点度，剩余能量以及簇头之间的重复性等一系列因素。
技术方案：首先给出几个定义：
磁性节点：使用带磁性的材料做成的节点，当网络中某节点被选举为簇头时，则开启磁性功能；即如果两个磁性节点在一起时则会互斥，并且磁性可以被关闭和打开。
连接度：即一个节点所有邻居的个数。
节点的综合权值：设网络中某节点i综合权值表达式为Ei＝aNi+bVi+cDi，其中a,b,c为三个方面因素的加权值，并且a+b+c＝1；Ni，Vi，Di分别为对应节点i的连接度，移动的速度以及和周围所有邻居的距离和。节点IDi，节点综合权值Ei。
簇头节点：通过求max(Ei)来确定的节点i即为簇头。
簇头个数：节点i邻居节点个数为n，则该簇的簇头节点个数num(n)满足以下公式：
Hello数据包：Hello数据包的格式为Hello(IDi,ClusterIDi,RClusterIDi，Ei)，其中IDi为某节点i的ID号；ClusterIDi为节点i所在簇的ID号，若未加入任何簇，则为Null；RClusterIDi为节点i所在簇的后备簇头ID号；Ei为节点的综合权值。Hello数据包分为三类：①邻居发现消息：IDi≠Null且ClusterIDi＝Null；②簇头消息：IDi＝ClusterIDi≠Null；③加入分簇消息：IDi≠Null，ClusterIDi≠Null且IDi≠ClusterIDi。其中ClusterIDi和RClusterIDi是动态定义的数组，其大小分别为num。
簇头选举方案：节点i发送Hello数据包遍历邻居列表，按节点的综合权值降序排列，并且选取排名第一位的为簇头节点，排名第二位的为后备簇头节点。如果簇头大于一个，则选取排名前num个为簇头节点，之后的num个为后备簇头节点。
后备簇头节点：即为网关节点，负责两个相邻簇之间的通信，并且一个簇头节点对应一个后备节点。
锚节点：事先部署在固定区域的一些节点，并且这些节点的地理位置已知，用于死亡节点的定位。
方法流程
该分簇方法的流程如图1所示，完整过程将具体描述如下：
步骤1)在目标区域以网格的形式部署固定的锚节点，并且记录下各自的地理坐标信息；
步骤2)初始化时每个节点的ClusterID和RClusterID都为空，从基站节点开始，基站的每个邻居节点也广播发送自己的Hello数据包，即通过Hello数据包中的邻居发现消息来寻找邻居节点；
步骤3)经过一段时间T后，等基站和基站邻居的每个节点获取完整的邻居节点表以后，根据簇头选举方案选出簇头节点和后备簇头节点，并且开启簇头的磁性功能，然后广播簇头建立信息给邻居节点，同时簇头节点和后备簇头节点将其地理位置信息发送给锚节点；
步骤4)如果接收节点为普通类型节点，当收到Hello数据包时先更新邻居节点表，然后判断消息内容的类型，当该消息为簇头消息时且该节点未加入任何簇或者ClusterID元素个数小于num时，则立即把簇头节点的ID号写进ClusterID，表示加入了该簇，然后广播一个加入该簇的信息。当该消息为后备簇头节点时且该节点的RClusterID为空或者元素个数小于num时，把后备簇头节点ID号写进RClusterID；
步骤5)后备簇头节点成为网关并且继续发送Hello数据包中的邻居发现消息来寻找邻居节点建立邻居节点表，然后继续选取簇头节点和后备簇头节点，依次继续下去直到所有的移动传感网络节点都已经加入簇，
步骤6)当两个簇的簇头节点在某个时间点相遇时，由于磁性相斥，所以两个簇的簇头节点不会移动到一起；
步骤7)当某个簇的簇头节点突然变为死亡节点时，后备簇头节点立即取代簇头的位置成为簇头节点，并且广播通知该簇的所有成员和它上一级的簇头，然后用簇头选举方案(见定义)再次选择一个簇头节点作为后备簇头节点；
步骤8)簇头节点和后备簇头节点以所有在其通信范围内的锚节点的几何质心作为自己的估计位置。具体过程如下：锚节点每隔一段时间向邻居节点广播一个信标信号，信号中包含有锚节点自身的ID和位置信息。当未知节点在一段侦听时间内接收到来自锚节点的信标信号数量超过某一个预设的门限后，该节点认为与此锚节点连通，并将自身位置确定为所有与之连通的锚节点所组成的多边形的质心。当产生死的簇头节点时，锚节点可以将死簇头节点的地理位置信息发送给基站，基站可以根据地理位置适时的更换死节点；
步骤9)基站每隔固定时间t就发送邻居发现消息来重新选举簇头节点和后备簇头节点直到覆盖完整个网络以适应节点的移动性。当某个簇头i的能量小于一定值时，该簇头发送一个消息给基站，基站则向全网广播一个消息，促发下一周期的簇生成；
步骤10)当一个节点收到重新分簇的消息时，则将该节点以及所有的邻居节点的ClusterID和RClusterID全部置为Null；
步骤11)当网络中的节点i由于长时间不工作进入休眠状态时，节点i在进入休眠之前发送一个消息给它所在簇的簇头节点，簇头再发消息给上级簇头直至传到基站保存并记录好前驱后继的关系，当该节点的休眠状态影响到网络连通性时，基站按原先的路径发送激活消息给该休眠节点激活它，当经过时间k时清除这些保存的内容；
步骤12)新节点经过合法认证时加入该网络，它将主动发送邻居发现信息以寻找其邻居集合：
●如果没有邻居节点，则该节点失效；
●如果邻居节点中有簇头节点，则加入此簇，向簇头发送请求消息，簇头将其加入自己邻居列表的同时更新该节点的邻居列表；
●如果邻居集合非空且无簇头节点，则按照簇头选举方案来判断自己是否可以成为簇头；
步骤13)有节点退出时，如果该节点是非簇头节点，则对分簇没有任何影响，只要将其从邻居节点表中删除即可。当退出的是簇头节点时，则该簇的邻居节点不会再收到簇头消息，超过时间s时发生超时，则将以该点作为簇头的所有邻居节点的ClusterID或者RClusterID置为Null，重新按照簇头选举方案进行簇头选举。
有益效果：本发明提出了一种无线传感器网络中移动节点的分簇方法，该方法具有如下优点：
(1)本方法中的节点材料采用了具有磁性的材料，由于节点是不断的移动的，不同簇的簇头有可能会移动到一起，这样会导致簇与簇之间的通信混乱，利用磁性材料之间相互排斥可以避免簇头和簇头移动到一起；
(2)当出现死节点和节点休眠时，可以通过锚节点的定位和簇头之间的通信迅速找到死节点或者唤起休眠的节点；
(3)通过固定时间t就重新分簇以适应节点不断移动的特性；
(4)选举簇头时综合考虑了节点的连接度，移动的速度以及和邻居的距离之和，使得簇头的选举更加合理；
(5)当一个簇的成员过多时可以选取多个簇头节点，可以增加网络的高效性，并且同时选取多个后备簇头节点，当簇头节点突然失效时可以迅速变为簇头节点提高网络的稳定性；
附图说明
图1是分簇的流程，
图2是簇的建立过程。
具体实施方式
下面以图2为例，通过一个具体的例子来进一步详细说明本发明的技术方案和方法流程。
步骤1)在目标区域以网格的形式部署固定的锚节点，即图中的三角形节点，并且记录下各自的地理坐标信息；
步骤2)基站节点及周围节点广播发送Hello数据包中的邻居发现消息，找到邻居节点并加入各自的邻居节点表；
步骤3)经过时间T后，基站的邻居即图中基站圆圈内的所有节点，根据簇头选举方案选出簇头节点1、2和后备节点3、4，并且开启簇头的磁性功能，然后广播簇头建立信息给该区域所有的节点，同时簇头节点和后备簇头节点的地理位置信息发送给锚节点A；
步骤4)如果接受节点为普通类型节点，假设为节点5收到节点1的Hello数据包时先更新其邻居节点表，然后判断消息内容的类型，该消息为簇头消息并且该节点未加入任何簇，则立即把节点1的ID号写进ClusterID，表示加入了该簇并且广播一个加入该簇的信息。当节点5收到节点4的Hello数据包时再次更新邻居节点表，然后判断消息类型，该消息为后备簇头节点且自身的Hello消息的后备簇头节点为空，此时节点把后备簇头节点ID号写进RClusterID；
步骤5)后备簇头节点3和4成为网关并且继续发送Hello数据包中的邻居发现消息来寻找邻居节点建立邻居节点表，然后继续选取簇头节点和后备簇头节点，依次继续下去直到所有的移动传感网络节点都已经加入簇，如图2所示；
步骤6)当簇头节点1和2在某个时间点移动到一起时，由于磁性相斥，所以两个簇的簇头节点不会移动到一起；
步骤7)当簇头节点2突然变为死节点时，后备簇头节点4立即取代簇头的位置成为簇头节点，并且广播通知该簇的所有成员和它上一级的簇头即基站，然后用簇头选举方案(见定义)再次选择一个簇头节点作为后备簇头节点；
步骤8)后备簇头节点3、4继续发送Hello数据包中的邻居发现消息来寻找邻居节点建立邻居节点表，节点3选取簇头节点5、6和后备簇头7、8，节点4选取簇头节点9和后备簇头节点10，依次继续下去直到所有的移动传感网络节点都已经加入簇，如图2所示；
步骤8)簇头节点9和后备簇头节点10以所有在其通信范围内的锚节点B、C、D、F的几何质心作为自己的估计位置。具体过程如下：锚节点B、C、D、F每隔一段时间向邻居节点广播一个信标信号，信号中包含有锚节点自身的ID和位置信息。当节点11在一段侦听时间内接收到来自锚节点的信标信号数量超过某一个预设的门限后，该节点认为与此锚节点连通，并将自身位置确定为所有与之连通的锚节点所组成的多边形的质心。当节点11变为死节点时，锚节点可以将节点11的地理位置信息发送给基站，基站可以根据地理位置适时的更换死节点；
步骤9)基站每隔固定时间t就发送邻居发现消息来重新选举簇头节点和后备簇头节点直到覆盖完整个网络以适应节点的移动性。当簇头1的能量小于一定值时，该簇头发送一个消息给基站，基站则向全网广播一个消息，促发下一周期的簇生成；
步骤10)当节点2收到重新分簇的消息时，则将该节点以及所有的邻居节点的ClusterID和RClusterID全部置为Null；
步骤11)当网络中的节点5由于长时间不工作时进入休眠状态时，节点5在进入休眠之前发送一个消息给它所在簇的簇头节点2，簇头再发消息给上级簇头基站保存并记录好前驱后驱的关系，当该节点的休眠状态影响到网络连通性时，基站按原先的路径发送激活消息给该休眠节点激活它，当经过时间k时清除这些保存的内容；
步骤12)新节点12经过合法认证时加入该网络，它将主动发送邻居发现信息以寻找其邻居集合：
●如果没有邻居节点，则该节点失效；
●如果邻居节点中有簇头节点9，则加入此簇，向簇头发送请求消息，簇头将其加入自己邻居列表的同时更新该节点的邻居列表；
●如果邻居集合非空且无簇头节点，则按照簇头选举方案来判断自己是否可以成为簇头；
步骤13)当节点12退出时，由于该节点是非簇头节点，所以对分簇没有任何影响，只要将其从邻居节点表中删除即可。当退出的是簇头节点9时，则该簇的邻居节点不会再收到簇头消息，超过时间s时发生超时，则将以该点作为簇头的所有邻居节点的ClusterID或者RClusterID置为Null，重新按照簇头选举方案(见定义)进行簇头选举。
Claims (1)
1.一种无线传感器网络中移动节点的分簇方法，其特征在于该分簇方法适合特殊场景中移动节点的分簇，考虑了诸多方面的因素，具体过程如下：
步骤1)在目标区域以网格的形式部署固定的锚节点，即三角形节点，并且记录下各自的地理坐标信息；
步骤2)基站节点及周围节点广播发送Hello数据包中的邻居发现消息，找到邻居节点并加入各自的邻居节点表；
步骤3)经过时间T后，基站的邻居即基站圆圈内的所有节点，根据簇头选举方案选出簇头节点1、2和后备节点3、4，并且开启簇头的磁性功能，然后广播簇头建立信息给该区域所有的节点，同时将簇头节点和后备簇头节点的地理位置信息发送给锚节点A；
步骤4)如果接受节点为普通类型节点，假设为节点5收到节点1的Hello数据包时先更新其邻居节点表，然后判断消息内容的类型，该消息为簇头消息并且该节点未加入任何簇，则立即把节点1的ID号写进ClusterID，表示加入了该簇并且广播一个加入该簇的信息；当节点5收到节点4的Hello数据包时再次更新邻居节点表，然后判断消息类型，当该消息为后备簇头节点消息，且后备簇头节点为空时，此时节点把后备簇头节点ID号写进RClusterID，然后广播一个加入该簇的信息；
步骤5)后备簇头节点3和4成为网关并且继续发送Hello数据包中的邻居发现消息来寻找邻居节点建立邻居节点表，然后继续选取簇头节点和后备簇头节点，依次继续下去直到所有的移动传感网络节点都已经加入簇；
步骤6)当簇头节点1和2在某个时间点移动到一起时，由于磁性相斥，所以两个簇的簇头节点不会移动到一起；
步骤7)当簇头节点2突然变为死节点时，后备簇头节点4立即取代簇头的位置成为簇头节点，并且广播通知该簇的所有成员和它上一级的簇头即基站，然后用簇头选举方案再次选择一个簇头节点作为后备簇头节点；
步骤8)后备簇头节点3、4继续发送Hello数据包中的邻居发现消息来寻找邻居节点建立邻居节点表，节点3选取簇头节点5、6和后备簇头7、8，节点4选取簇头节点9和后备簇头节点10，依次继续下去直到所有的移动传感网络节点都已经加入簇；
步骤8)簇头节点9和后备簇头节点10以所有在其通信范围内的锚节点B、C、D、F的几何质心作为自己的估计位置；具体过程如下：锚节点B、C、D、F每隔一段时间向邻居节点广播一个信标信号，信号中包含有锚节点自身的ID和位置信息，当节点11在一段侦听时间内接收到来自锚节点的信标信号数量超过某一个预设的门限后，该节点认为与此锚节点连通，并将自身位置确定为所有与之连通的锚节点所组成的多边形的质心，当节点11变为死节点时，锚节点可以将节点11的地理位置信息发送给基站，基站根据地理位置适时的更换死节点；
步骤9)基站每隔固定时间t就发送邻居发现消息来重新选举簇头节点和后备簇头节点直到覆盖完整个网络以适应节点的移动性，当簇头1的能量小于一定值时，该簇头发送一个消息给基站，基站则向全网广播一个消息，促发下一周期的簇生成；
步骤10)当节点2收到重新分簇的消息时，则将该节点以及所有的邻居节点的ClusterID和RClusterID全部置为Null；
步骤11)当网络中的节点5由于长时间不工作进入休眠状态时，节点5在进入休眠之前发送一个消息给它所在簇的簇头节点2，簇头再发消息给上级簇头基站保存并记录好前驱后驱的关系，当该节点的休眠状态影响到网络连通性时，基站按原先的路径发送激活消息给该休眠节点激活它，当经过时间t时清除这些保存的内容；
步骤12)新节点12经过合法认证时加入该网络，它将主动发送邻居发现信息以寻找其邻居集合：
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●如果邻居集合非空且无簇头节点，则按照簇头选举方案来判断自己是否可以成为簇头；
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd. Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Contract record no.: 2016320000220 Date of cancellation: 20180116 |