專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式多跳節(jié)能通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具體是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式多跳節(jié)能通信方法。
背景技術(shù)：
在當今信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代，互聯(lián)網(wǎng)為人們提供了快捷的通信平臺，極大 地方便了人們的信息交流，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生將徹底改變?nèi)祟愖怨乓詠韮H僅靠 自身的觸覺、視覺、嗅覺來感知信息的現(xiàn)狀，極大的提高人類獲取信息的準確性和靈敏 度。作為信息時代的一項變革性的技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們在任何時間、任 何地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實、可靠的信息，真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理 念。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計算機科學(xué)技術(shù)的一個新的研究領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前 景，它的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。美國《商業(yè)周刊》將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為 21世紀高技術(shù)領(lǐng)域中的四大支柱型產(chǎn)業(yè)之一，《技術(shù)評論》雜志也將其列為未來改變世 界的10大新興技術(shù)之首?？梢灶A(yù)言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對人們的社 會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大地推動力。目前，已經(jīng)存在多種關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法的研究。LEACH作為最早 被提出的動態(tài)分簇算法，在一個周期內(nèi)，讓少量節(jié)點成為簇頭，非簇頭節(jié)點向簇頭節(jié)點 以TDMA的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點融合來自非簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)之后，以單跳的方式和 基站直接通信。在LEACH研究的基礎(chǔ)上，提出了一種集中式的簇頭選擇和簇的生成算 法LEACH-C，由基站根據(jù)所有節(jié)點的位置和能量進行簇頭選擇，然而該算法需要為每個 節(jié)點安裝GPS以獲得節(jié)點的位置信息，這樣就額外的增加了傳感器節(jié)點的造價。HEED 算法選擇簇頭依據(jù)主次兩個參數(shù)，主參數(shù)依賴于剩余能量，用于隨機地選取初始簇頭集 合，次參數(shù)依賴于簇內(nèi)通信代價，競爭產(chǎn)生最終的簇頭，然而HEED的簇生成算法需要 在簇半徑內(nèi)進行多次消息迭代，由此要花費很大的通信開銷。隨著研究的深入，人們又相繼提出了基于能量預(yù)測的分簇算法(CHEP)和分 布式能量高效的自適應(yīng)分簇算法(DEEAC)。目的是使能量較高的節(jié)點有更大的機率成 為簇頭，但是它們都有各自的缺陷，比如DEEAC需要每個節(jié)點來估算當前網(wǎng)絡(luò)的總能 耗，而基于能量預(yù)測的分簇算法(CHEP)要得到能量預(yù)測參數(shù)要不斷的計算節(jié)點的狀態(tài) 轉(zhuǎn)換概率矩陣。同時，由于仍然采用隨機數(shù)機制選擇簇頭，每輪產(chǎn)生的簇頭數(shù)目依然 不穩(wěn)定，而且算法都沒考慮到簇頭位置均勻分布的問題。能量效率的非均勻成簇算法 (EEUC)采用了候選簇頭在局部競爭的方法，有效地控制了算法所產(chǎn)生的簇頭數(shù)目，卻 增加了算法自身的開銷。在文獻“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于自適應(yīng)定時器策略的分簇算 法”(曹涌濤，何晨，蔣鈴鴿.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于自適應(yīng)定時器策略的分簇算法m. 電子學(xué)報，2007，35(9) 1719-1723)禾口 “ A Time-based Cluster-Head Selection Algorithm for LEACH" (Hu Junping, Jin Yuhui， Dou Liang.A Time-based Cluster—Head Selection Algorithm for LEACH[C].13th IEEE Symposium on Computers and Communications，2008 1172-1176)都提到使用定時器機制來選擇簇頭，通過給能量較大的節(jié)點設(shè)置較小的等 待時間，從而使剩余能量較多的節(jié)點有較大的概率成為簇頭。然而，文獻“無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中基于自適應(yīng)定時器策略的分簇算法”中并未對每輪產(chǎn)生的簇頭數(shù)目進行研究， 若產(chǎn)生簇頭數(shù)目不穩(wěn)定，簇頭能量消耗過大，進而影響網(wǎng)絡(luò)整體的性能。文獻“A Time-based Cluster-Head Selection Algorithm for LEACH” 中提出的 TB-LEACH 雖然產(chǎn)生 了固定的簇頭數(shù)目，但簇頭的位置分布并不均勻，這樣每個簇頭管理的成員節(jié)點個數(shù)不 均勻，導(dǎo)致簇與簇之間能量消耗不均勻，網(wǎng)絡(luò)生存時間就得不到有效延長，而且沒有考 慮當網(wǎng)絡(luò)運行初期節(jié)點能量相同的情況下競選簇頭發(fā)生的沖突問題。
簇頭選擇后，為了減小遠距離的通信能耗，一般選擇多跳方法完成從簇頭 到基站的數(shù)據(jù)通信。目前已有很多基于簇的多跳路由算法，例如在“MhatreV， Rosenberg C.Design guidelines for wireless sensor networks Communication, clustering and aggregation.Ad Hoc Networks, 2004，2(1) 45-63” 文獻中，分析了 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中的 簇頭數(shù)量和節(jié)點到簇頭的最優(yōu)通信模型，未對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程進行深入研究。在文獻“胡 鋼，謝冬梅，吳元忠.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議LEACH的研究與改進[J].傳感技術(shù)學(xué)報， 2007，20(6) 1391-1396”中，從其體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)層次等幾個方面分析介紹 了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，深入研究了經(jīng)典的聚類路由算法——LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，選擇離自己平面距離最近的節(jié)點進 行路由中轉(zhuǎn)，但是該算法未考慮轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，導(dǎo)致跳數(shù)太多，網(wǎng)絡(luò)開銷增大，因此仍然 需要深入研究。在“李成法，陳貴海，吳杰等.一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議[J].計算機學(xué)報，2007，30(1) 27-36”文獻中，李成法等人提出了基于競爭 的多跳非均勻分簇算法，仿真結(jié)果顯示了較好的效果，但該算法中的參數(shù)選取主要憑經(jīng) 驗給出，理論分析不夠，需要進行深入研究。另外基于競爭產(chǎn)生簇頭仍然存在能量浪費 問題，因為候選簇頭數(shù)量較多，需要競爭的次數(shù)較多，因此需要繼續(xù)深入研究。在“劉 志，裘正定.基于分環(huán)多跳的無線傳感網(wǎng)分簇路由算法[J].通信學(xué)報，2008，29(3) 104-112”文獻中，提出了 一種分環(huán)多跳分簇路由算法RBMC (ring based multi-hop clustering routing algorithm)。RBMC算法采用分環(huán)的方式實現(xiàn)簇頭間的多跳通信，通過 在不同環(huán)內(nèi)構(gòu)建大小不同的簇解決傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的“熱點”問題，在不同的簇頭選 舉策略下，能夠同時滿足節(jié)點能量同構(gòu)及異構(gòu)兩種情形，但是該算法未深入研究簇頭選 擇機制。在“朱藝華，沈丹丹，吳萬登等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化生存時間的動態(tài)路由算 法[J].電子學(xué)報，2009，37(5) 1041-1045”文獻中，提出基于最短路徑樹，通過構(gòu)造不 同的權(quán)值函數(shù)，提出了 Ratio-W與Sum-W兩種路由算法，這兩種路由算法，能夠延長網(wǎng) 絡(luò)生存時間并將能耗維持在一個經(jīng)濟的水平。同時，通過對算法參數(shù)的調(diào)整，可以平衡 網(wǎng)絡(luò)生存時間與能耗，但是未深入研究簇頭選擇及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇問題。另外，現(xiàn)有路由 方法沒有解決多跳路由算法中節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)和最短有效轉(zhuǎn)發(fā)距離的問題，特別地， 當轉(zhuǎn) 發(fā)距離較近時，中間節(jié)點的電路消耗造成的總體能量消耗變大和簇頭節(jié)點在選擇下一跳 路由時，簇頭之間交換信息的開銷較大；同時，基于簇的多跳路由算法中簇頭之間和簇 與簇之間的能量平衡問題也需要進一步的改進。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明改進了節(jié)點的時間延遲機制模型并 由此得到的延遲時間，使得剩余能量較多的節(jié)點有較小的延遲時間，考慮到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點 的能量消耗和負載均衡，在最優(yōu)簇半徑和最佳簇頭數(shù)目作用于簇頭的選擇過程當中，解 決了簇頭分布不均勻的問題。為此提出基于生成路由樹算法解決簇頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?的問題，實踐證明，本方法使得選出的簇頭更適合擔當數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)能量消耗更 小，網(wǎng)絡(luò)生命周期進一步延長。本發(fā)明提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上進行分布式多跳節(jié)能通信的方法，該方法首 先選擇簇頭，定時器控制確定網(wǎng)絡(luò)中剩余能量大的節(jié)點優(yōu)先成為簇頭；基于生成路由樹 的多跳路由方式，根據(jù)最短有效轉(zhuǎn)發(fā)距離Restrictioiudistance和節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)傳輸在簇數(shù) 據(jù)。在定時器中增加一個隨機成分rand (0，α),當定時器計時達到某一個節(jié)點延遲時 間，該節(jié)點將獲得競爭簇頭的權(quán)利，擁有競爭權(quán)的節(jié)點通過自身的簇頭信息集合查看網(wǎng) 絡(luò)內(nèi)當前簇頭個數(shù)。選擇簇頭的具體步驟為每個節(jié)點生成一個定時器，并控制所有節(jié)點定時器開 始倒計時；計算各節(jié)點延遲時間，將擁有最小延遲時間的節(jié)點i作為第1個簇頭；該第1 個簇頭的節(jié)點使用非持續(xù)CSMA MAC(帶有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問)協(xié)議向全網(wǎng) 廣播消息CH_ADV;收到CH_ADV消息的節(jié)點，將此消息放入節(jié)點i的集合Sch(i)中； 算法模塊將集合SeH(i)的絕對值與最優(yōu)簇頭數(shù)量h進行比較，若滿足|SeH(i) I < h，計算 節(jié)點i與集合SeH(i)中每個簇頭節(jié)點之間的距離，并與節(jié)點廣播半徑r。進行比較，若滿 足d(i，SeH(i))>r。，則選節(jié)點i為簇頭。所述多跳路由方式具體為，根據(jù)自由空間傳輸
ξ fs和多路徑衰減傳輸ξ mp參數(shù)設(shè)置閾值ReWrMiW — ifotance = ，若簇頭到基站距離
y ^ mp
小于Restrictioiudistance，則簇頭直接與基站進等通信，否則使用多跳路由將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳
其胃胃原價她^一而tancg"|琪Φ 力力人至U·立占白勺g巨冑。^f
點選擇距離最小的節(jié)點作為其父節(jié)點，當簇頭到基站距離大于Restrictioiudistance時，貝Ij 根據(jù)以下公式確定節(jié)點j與當前簇頭i之間的距離WC(W) = e, x-j^-x^^y-唭中，
residualJ
當前簇頭為i，j是i的鄰居信息表中的一個簇頭節(jié)點，6,表示節(jié)點i和節(jié)點j直接通信的 能量消耗，RSg為節(jié)點j接收到匯聚點廣播消息Sink_ADV的信號強度，RSSmax是基站廣 播Sink_ADV時的信號強度，D表示距離估算函數(shù)，Emax是節(jié)點的初始能量，K,-是節(jié) 點j的剩余能量。本發(fā)明的有益效果是，避免了在選擇簇頭過程中沖突的發(fā)生以及在數(shù)據(jù)傳輸過 程中有效降低了能量開銷，本方法操作簡單，容易實現(xiàn)。


下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖1是本發(fā)明成簇方法的流程圖。
圖2是本發(fā)明路由樹生成過程示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明設(shè)計一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于退避機制的分布式多跳節(jié)能通信方法。 該方法包括如下步驟。1、選擇簇頭。定時器控制確定網(wǎng)絡(luò)中剩余能量大的節(jié)點優(yōu)先成為簇頭。在簇頭選擇過程中 能量大的節(jié)點優(yōu)先成為簇頭，能量相同的節(jié)點在競爭簇頭過程中不會發(fā)生碰撞，簇頭分 布均勻。在成為簇頭過程中能量相同的節(jié)點具有成為簇頭的相同概率，避免產(chǎn)生不必要
的能量浪費，避免能量浪費具體為，在定時器= 中增加一個隨機成分
Hffld (0，0)(表示生成一個
之間的一個隨機數(shù))，避免了具有相同剩余能量的 節(jié)點發(fā)生沖突，取α =0.05，Emax是節(jié)點的初始能量，是節(jié)點i的剩余能量。當 Timer(i)數(shù)值相同時，隨機成分不同，因此定時器的數(shù)值不同，因此可以避免沖突的發(fā) 生。當定時器計時達到某一個節(jié)點延遲時間，該節(jié)點將贏得競爭簇頭的權(quán)利，擁有競爭 權(quán)的節(jié)點通過自身的簇頭信息集合查看網(wǎng)絡(luò)內(nèi)當前簇頭個數(shù)，若已經(jīng)達到最佳值，節(jié)點 將不再參與簇頭競爭，并且通過信號接收強度判斷節(jié)點和集合中每個簇頭節(jié)點之間的距 離不小于最優(yōu)簇半徑，保證每輪的簇頭個數(shù)都是最佳值并且均勻分布在監(jiān)測的區(qū)域中。選擇簇頭具體方法為，每個節(jié)點生成一個定時器，計算各節(jié)點延遲時間，將最 小延遲時間的節(jié)點作為第1個簇頭；該第1個簇頭向全網(wǎng)廣播消息CH_ADV;收到CH_ ADV消息的節(jié)點，將此消息放入節(jié)點i的集合SeH(i)中，計算第1個簇頭與集合SeH(i) 中每個簇頭節(jié)點之間的距離，并與節(jié)點廣播半徑r。進行比較，并選擇簇頭節(jié)點。定時器控制網(wǎng)絡(luò)中剩余能量較多的節(jié)點有較小的延遲時間，從而擁有更大的機 會競選簇頭，達到均衡簇頭能量消耗的目的。每輪產(chǎn)生了穩(wěn)定的簇頭個數(shù)，并且簇頭的 位置均勻分布在網(wǎng)絡(luò)中，從而使每輪數(shù)據(jù)收集的能耗達到最小，有效利用了網(wǎng)絡(luò)能量， 延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。2、簇數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)置最短有效轉(zhuǎn)發(fā)距離Restrictioiudistance和節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，
基于生成路由樹的多跳路由方式傳輸在簇數(shù)據(jù)。多跳路由方式是在簇頭間生成一種基于距離能量代價的路由樹，簇頭選擇下一 跳節(jié)點時，綜合考慮兩節(jié)點間鏈路能耗、接收節(jié)點的剩余能量水平和距離基站的位置選 擇下一跳，通過局部信息動態(tài)選擇下一跳，并且通過最短有效轉(zhuǎn)發(fā)距離，合理有效地選 擇多跳。在簇間路由樹的生成中首先在網(wǎng)絡(luò)部署完成后，基站用一個給定的發(fā)送功率 向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播一個信號匯聚節(jié)點廣播消息Sink_ADV，計算信號強度，節(jié)點以此信號強度 計算到基站的近似距離。節(jié)點在向基站傳輸數(shù)據(jù)時根據(jù)此距離選擇合適的發(fā)送功率來節(jié)約能量消耗且用 于構(gòu)造簇間路由樹。在有些路由算法中，中繼節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，然后 再斷續(xù)發(fā)送。實際上，不同簇之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性很小，因此中繼簇頭節(jié)點不再對來自其 它簇頭的數(shù)據(jù)進一步融合，只是簡單的轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳。
根據(jù)自由空間傳輸ξ fs，多路徑衰減傳輸ξ mp參數(shù)設(shè)置閾值 Re價她淵一豳tance= ’，其中ξ fs和ξ mp與所采用的傳輸信道模型有關(guān)。若
簇頭到基站距離小于Restrictioiudistance，則直接與基站進等通信，否則應(yīng)盡可能
使用多跳路由將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給基站。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)選擇為
-^-,d^.,，其中d為從當前簇頭到基站的距離。 Re striction _ ais tan ce 另外在實際應(yīng)用當中，選擇下一跳路由的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，應(yīng)當綜合考慮整個 網(wǎng)絡(luò)能量平衡的因素。在形成簇以后，為了保證由所有簇頭節(jié)點形成的子圖是連通 的，每個簇頭在其覆蓋半徑2r。內(nèi)廣播一條消息NODE_STATE_MSG。簇頭i收到簇 頭j的廣播消息后，計算出它們之間的近似距離，每個簇頭節(jié)點保存相關(guān)信息建立一 張鄰居簇頭信息表。如，當簇頭到基站距離大于Restricti0n_distance時，假設(shè)當前簇 頭為i，j是i的鄰居信息表中的一個簇頭節(jié)點，則根據(jù)以下公式確定j與i之間的距離
η W .、一 ^ ^max 、，D(RSSmax)
DEC(l,j) = eux~T—-x，其中，e表示節(jié)Ai和節(jié)點j直接通信的能量消耗，
residual^JyJ^J
為節(jié)點j接收到Sink_ADV的信號強度，RSSmax是基站廣播Sink_ADV時的信號強度，D表示距離估算函數(shù)，Emax是節(jié)點的初始能量， ^Lm是節(jié)點j的剩余能量。綜合考慮能量平衡的因素，節(jié)點選擇距離最小的簇頭作為其父節(jié)點，用于轉(zhuǎn)發(fā) 數(shù)據(jù)到下一跳。節(jié)點i選擇節(jié)點j作為父節(jié)點的依據(jù)是選擇綜合花費最小的DEC(i，j)， 即NF1 = Min(DEC(i，j))，選擇花費最小的節(jié)點作為父節(jié)點。若節(jié)點i的鄰居信息表 為空，說明此簇頭周圍沒有其它的簇頭存在，這種情況會出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)運行到后期，大部 分節(jié)點已經(jīng)死亡的情況下，此時，簇頭將數(shù)據(jù)直接傳輸給基站。DEC(i, j)充分考慮了兩節(jié)點間通信的能量消耗和鄰居節(jié)點的剩余能量以及到基 站的距離狀況，通過對這三個因素的綜合考慮，選擇最小的DEC(i，j)，使得在發(fā)送能耗 較小的情況下，距離基站較近并且剩余能量充足的節(jié)點優(yōu)先成為父節(jié)點。按照以上策略 確定路由方式之后，簇頭生成一棵以基站為根的樹，數(shù)據(jù)沿著基站的方向傳輸。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明簇頭選擇及成簇進行說明。如圖1所示，對于本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)成簇方法，其處理方法流程如下Step 1 在每輪循環(huán)的開始，每個節(jié)點生成一個定時器，節(jié)點i在定時器 TimerCO秒后超時；Step 2 所有節(jié)點定時器開始倒計時，擁有最小延遲時間Timer(i)的節(jié)點i將首 先達到定時間隔并成為第1個簇頭；Step 3 采用當前第1個簇頭的節(jié)點使用非持續(xù)CSMA MAC協(xié)議向全網(wǎng)廣播簇 頭廣播的消息名稱CH_ADV消息；Step 4 普通節(jié)點在定時時間到達之前可能收到一個或多個CH_ADV消息，將
此消息放入本節(jié)點的集合SeH(i)(可能成為簇頭的候選簇頭集合)中；Step 5 判斷下一個定時時間到達的節(jié)點，算法模塊將集合SCH(i)的絕對值與最優(yōu)簇頭數(shù)量h進行比較，當|SeH(i)|<h或考察完所有超時的節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟(Step7);否則，當|SCH(i)|濁時，轉(zhuǎn)步驟(Step 6);Step 6 計算節(jié)點i與集合SCH(i)中每個簇頭節(jié)點之間的距離，并與節(jié)點i廣播半 徑r。進行比較，若滿足d(i，SCH(i)) >r。，則選節(jié)點i為簇頭，轉(zhuǎn)步驟(Step3)；否則， 節(jié)點i仍為普通節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟(Step 5)；Step 7 產(chǎn)生出k《h個簇頭；Step 8 簇頭選擇好后，普通節(jié)點加入到離自己最近的簇頭與之形成簇，簇頭基 于成員節(jié)點的數(shù)目構(gòu)建TDMA調(diào)度，簇的成員按分配好的TDMA時隙將數(shù)據(jù)發(fā)送至簇 頭，簇頭融合后發(fā)送給基站，算法采用與LEACH相同的組織方式，在此不再贅述。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式多跳節(jié)能通信方法中簇數(shù)據(jù)傳輸 進行說明。為了更好的描述路由樹生成算法，考慮圖2(a)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng) 絡(luò)中，假設(shè)由7個簇頭節(jié)點A-G和一個基站Sink節(jié)點組成，簇頭節(jié)點A想要給Sink節(jié)點 發(fā)送分組。該發(fā)明在每個節(jié)點上維護了一張鄰居簇頭信息集合，實際上，圖中B、C和 D之所以連接到A原因是因為它們是A的鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點。當節(jié)點A有數(shù)據(jù)要向 Sink節(jié)點發(fā)送時，它從鄰居節(jié)點集合中根據(jù)距離能量代價DEC確定一個節(jié)點，比如C作 為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，然后構(gòu)造一個簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)通信分組，并將它廣播出去，B、C和D均能收 到該分組，但只有分組中指定的節(jié)點才能轉(zhuǎn)發(fā)這個分組。按照以上的過程，每個簇頭節(jié) 點都能找到其在路由樹上的父節(jié)點，所以路由樹很容易生成。按照以上策略確定路由方 式之后，簇頭生成一棵以基站為根的樹，數(shù)據(jù)沿著基站的方向在邊上傳輸，如圖2(b)所
示
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上進行分布式多跳節(jié)能通信的方法，其特征在于，首先選擇 簇頭，即定時器控制確定網(wǎng)絡(luò)中剩余能量大的節(jié)點優(yōu)先成為簇頭，能量相同的節(jié)點在競 爭簇頭過程中不發(fā)生碰撞；基于生成路由樹的多跳路由方式，根據(jù)最短有效轉(zhuǎn)發(fā)距離 Restriction_distance和節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)傳輸在簇數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量相同的節(jié)點在競爭簇頭過程中 不發(fā)生碰撞具體包括，在定時器中增加一個隨機成分nmd(0，α),避免具有相同剩余能 量的節(jié)點發(fā)生沖突，當定時器計時達到某一個節(jié)點延遲時間，該節(jié)點獲得競爭簇頭的權(quán) 利，擁有競爭權(quán)的節(jié)點通過自身的簇頭信息集合查看網(wǎng)絡(luò)內(nèi)當前簇頭個數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，選擇簇頭的具體步驟為每個節(jié)點生 成一個定時器，并控制所有節(jié)點定時器開始倒計時；計算各節(jié)點延遲時間，將擁有最小 延遲時間的節(jié)點i作為第1個簇頭；該第1個簇頭的節(jié)點使用非持續(xù)CSMA MAC協(xié)議向 全網(wǎng)廣播CH_ADV消息；收到CH_ADV消息的節(jié)點，將此消息放入節(jié)點i的集合Sch(i) 中；算法模塊將集合SeH(i)的絕對值與最優(yōu)簇頭數(shù)量h進行比較，若滿足|SeH(i)| <h， 計算節(jié)點i與集合SeH(i)中每個簇頭節(jié)點之間的距離，并與節(jié)點廣播半徑r。進行比較，若 滿足d(i，SCH(i)) >r。，則選節(jié)點i為簇頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多跳路由方式具體為，根據(jù)自由空間傳輸ξ fs，多路徑衰減傳輸ξ mp參數(shù)設(shè)置閾值Re*她W-^fotano = ，若簇頭到基站距離小于Restrictioiudistance，則簇頭直接與基站通信，否則使用多跳路由將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給基站，其轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)為[-^—，其中d為從當前簇頭到基站的距Re striction — dis tan ce罔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，節(jié)點選擇距離最小的節(jié)點作為其父節(jié) 點，當簇頭到基站距離大于Restrictioiudistance時，則根據(jù)以下公式確定節(jié)點j與當前簇頭i之間的距離你邙，f) =二二、，其中，當前簇頭為i，j是i的鄰居信息。residual^ J)表中的一個簇頭節(jié)點，6,表示節(jié)點i和節(jié)點j直接通信的能量消耗，RSg為節(jié)點j接收到 Sink_ADV的信號強度，RSSmax是基站廣播Sink_ADV時的信號強度，D表示距離估算函數(shù)。
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上進行分布式多跳節(jié)能通信的方法。在簇頭選擇過程中能量大的節(jié)點優(yōu)先成為簇頭，能量相同的節(jié)點在競爭簇頭過程中不會發(fā)生碰撞，簇頭分布均勻。數(shù)據(jù)從簇頭傳輸?shù)交具^程中，將網(wǎng)絡(luò)中均勻分布的簇頭構(gòu)造成一棵路由樹，通過多跳傳輸?shù)姆绞綔p少直接與基站通信的簇頭節(jié)點數(shù)量，從而更進一步的降低能量開銷。同時，該算法還限制了多跳路由的最短轉(zhuǎn)發(fā)距離，降低了中間節(jié)點的電路開銷，減少了多跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，弱化了網(wǎng)絡(luò)中的“熱點問題”，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能量，保持了網(wǎng)絡(luò)負載平衡，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號H04W52/02GK102026331SQ20101060582
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者尚鳳軍 申請人:重慶郵電大學(xué)