無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇算法
【專利摘要】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇算法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量值低于設(shè)定的閾值時(shí)，就進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重組，重新選擇簇頭。該算法主要是在簇首選舉和普通節(jié)點(diǎn)接入簇首的過(guò)程中，結(jié)合考慮了節(jié)點(diǎn)的電池放電恢復(fù)情況及剩余能量情況，從而有效地均衡了全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量消耗。本發(fā)明BAR-HEED算法在均衡全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能耗及延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命方面較HEED算法有顯著提高。
【專利說(shuō)明】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分簇算法，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在許多重要領(lǐng)域都存在潛在的實(shí)用價(jià) 值。因此，關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究議題已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的熱點(diǎn)之一。然而 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種能量受限的網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)通常只能攜帶能量十分有限的電池， 大量節(jié)點(diǎn)密集部署在環(huán)境復(fù)雜的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，更換電池幾乎是不可能的，因此無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是有限能源的高效利用。電池作為傳感節(jié)點(diǎn)的供能設(shè)備，是無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)獲得高性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。然而，從目前的研究來(lái)看，對(duì)電池能量特性的研究仍 然沒(méi)有深入到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，沒(méi)有深入考慮電池本身的規(guī)律，割裂了電池放電特性 和節(jié)能機(jī)制的有機(jī)聯(lián)系，使得電池沒(méi)有得到有效的恢復(fù)和利用。因此對(duì)電池放電特性進(jìn)行 更加深入的研究是十分有必要的。通過(guò)深入了解電池放電行為，分析電池放電行為對(duì)傳感 器網(wǎng)絡(luò)的影響，能夠有效地均衡全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0003] 分簇路由協(xié)議是把網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成簇結(jié)構(gòu)，并在每個(gè)簇內(nèi)選出一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)， 其余為成員節(jié)點(diǎn)?；诜执氐穆酚伤惴ㄔ谕?fù)涔芾?、能量效率、?shù)據(jù)融合等方面都具有明顯 的優(yōu)勢(shì)。因此，分簇路由協(xié)議在節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，保障網(wǎng)絡(luò)可靠性等方面有廣 泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，如果在分簇路由協(xié)議的研究設(shè)計(jì)中加入對(duì)節(jié)點(diǎn)電池放電特性的考慮 應(yīng)能進(jìn)一步提高分簇路由協(xié)議的性能。能源問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)主要的挑戰(zhàn)，使 電池供電的傳感節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大的生存時(shí)間來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)的采集與傳輸是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之 〇
[0004] 目前關(guān)注路由協(xié)議中能量損耗的算法稱為能量感知路由算法，其主要是從數(shù)據(jù)傳 輸過(guò)程中的能量消耗出發(fā)，討論具有最優(yōu)能量消耗以及最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命等問(wèn)題。常見(jiàn)的能量 感知路由主要有最大PA路由（Max Power Available Routing)、最小能量消耗路由、LEACH、 HEED、最小-最大電池代價(jià)路由（Min-Max Battery Cost Routing,MMBCR)等。該類路由的 優(yōu)點(diǎn)是將能量作為形成路由的一個(gè)主要考慮因素，更好地解決了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限 的問(wèn)題。
[0005] HEED算法主要是利用了一個(gè)混合因素來(lái)進(jìn)行周期性地簇首選舉，主要因素依賴于 剩余能量，次要因素依賴于簇內(nèi)通信代價(jià)。HEED的優(yōu)點(diǎn)在于：分簇能在一個(gè)固定的迭代次 數(shù)內(nèi)終止；考慮成簇后簇內(nèi)的通信開(kāi)銷，把節(jié)點(diǎn)剩余能量作為一個(gè)參量引入算法，形成的網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)涓吅侠?，全網(wǎng)能量消耗更均勻。HEED的不足在于：周期性地進(jìn)行簇重組，消耗了多 余的額外能量；采用單跳發(fā)送數(shù)據(jù)，沒(méi)有考慮到簇首與基站直接通信耗能大的問(wèn)題。而其他 算法，也大多考慮的是依據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量，節(jié)點(diǎn)深度等因素，但是這種技術(shù)通常只有在當(dāng)節(jié) 點(diǎn)由堿性電池供電時(shí)才有效，因?yàn)榇藭r(shí)電池的電壓與其剩余能量值成正比例變化關(guān)系。然 而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)由鋰電池供電時(shí)，此技術(shù)就不再適用了，因?yàn)殇囯姵卦谄渖陂g基本都維持一 個(gè)恒定的電壓值。目前，在WSN領(lǐng)域中，對(duì)電池放電特性的研究并沒(méi)有非常深入，網(wǎng)絡(luò)中仍 存在部分節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效的現(xiàn)象。而且，從目前的研究來(lái)看，對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)電池的定量分析 與研究是少之又少，沒(méi)有深入考慮電池本身的規(guī)律，將節(jié)能機(jī)制和電池放電特性的研究相 分離，使得電池沒(méi)有得到有效地恢復(fù)和利用，從而影響全網(wǎng)的生存壽命。
[0006] 有鑒于此，本發(fā)明人針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷深入研究，遂有本案產(chǎn)生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種有效節(jié)能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇 算法（BAR-HEED算法)。
[0008] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇算法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量值低于設(shè)定的閾值時(shí)，就進(jìn) 行節(jié)點(diǎn)重組，重新選擇簇頭，具體包括如下步驟： 第一步驟：建立鄰居列表階段： 首先全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在自己的一跳節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)廣播 消息中包含了該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量值和節(jié)點(diǎn)預(yù)先算出的到下一個(gè)發(fā) 包時(shí)刻的電池容量值GapKi#; 電池模型公式為… ￡1表示電池總?cè)萘?，即的取值由具體電池性能得出，L表示的是電池的生 命周期，即電池結(jié)束時(shí)間扣去開(kāi)始時(shí)間的值，對(duì)于一個(gè)恒定的放電電流來(lái)說(shuō)，該式可以簡(jiǎn)化 為下式：

【權(quán)利要求】
1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇算法，其特征在于：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量值低于設(shè)定 的閾值時(shí)，就進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重組，重新選擇簇頭，具體包括如下步驟： 第一步驟：建立鄰居列表階段： 首先全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在自己的一跳節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)廣播 /MfoiVfsg,消息中包含了該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量值和節(jié)點(diǎn)預(yù)先算出的到下一個(gè)發(fā) 包時(shí)刻的電池容量值; 電池模型公式為必 js-1 表示電池總?cè)萘?，即的取值由具體電池性能得出，L表示的是電池的生命 周期，即電池結(jié)束時(shí)間扣去開(kāi)始時(shí)間的值，對(duì)于一個(gè)恒定的放電電流來(lái)說(shuō)，該式可以簡(jiǎn)化為 下式： ?=Zx H·)+J x 蓋x (6存。1 - :_) 將這兩個(gè)值發(fā)出后，收到該消息的節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)列，將該發(fā)送 節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)，剩余能量值，及其預(yù)先算出的電池容量值記錄于表中，同時(shí)該接收節(jié)點(diǎn)根據(jù) 接收門限值TAmsfeW以及接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值計(jì)算出向這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)單位數(shù) 據(jù)包所需的最小發(fā)射功率值min 并將該功率值一并記錄進(jìn)表iftiionFor--。其中 m m Txftwer的計(jì)算公式如下： min TxPower = Threshold + (TkPowerStari - ESSI)； 第二步驟：全網(wǎng)迭代分簇階段； 當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都完成了鄰居節(jié)點(diǎn)列表的建立后，全網(wǎng)進(jìn)入迭代組網(wǎng)階段； 首先，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中記錄的mmTiiVwer值計(jì)算出自己作為簇 首的最小旗內(nèi)通?目代價(jià); 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在自己的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中選出擁有最大電池容量值的節(jié)點(diǎn)作為自己 的臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)，如果碰到有相同值的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，則選擇剩余能量職大的那個(gè) 節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)選出的臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)剛好是該節(jié)點(diǎn)本身，則其標(biāo)記自己的位為 1，而后開(kāi)始廣播最終簇首消息，消息中包含了該簇首節(jié)點(diǎn)的剩余能 量值、電池容量值以及最小簇內(nèi)通信代價(jià)； 普通節(jié)點(diǎn)在接收到簇首節(jié)點(diǎn)的廣播消息后，首先建立一個(gè)臨 時(shí)簇首列表ΤΒΜΚΑΨ--Α?,并將該簇首節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)，剩余能量值電池容量值 Qpify,最小簇內(nèi)通信代價(jià)以及接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值記錄進(jìn)表；在選最終 簇首時(shí)，依次考慮這些臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)的電池容量情況剩余能量值最小簇 內(nèi)通信代價(jià)以及接收到的節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度RSSI ;首先選出擁有最大值的節(jié) 點(diǎn)作為自己的最終簇首節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入，若出現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的值大小相同，則選擇擁有 較多剩余能量值ΙΕ?· 1的那個(gè)，而如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的〇!?〇：_值和值均相等時(shí)，則再繼 續(xù)考慮選擇擁有較小值的節(jié)點(diǎn)或擁有較大RSSI值的節(jié)點(diǎn)作為自己的最終簇首節(jié) 點(diǎn)，向其發(fā)送入簇申請(qǐng)，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都接入自己的簇首節(jié)點(diǎn)后，組網(wǎng)完成，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn) 入數(shù)據(jù)采集和傳輸階段。
【文檔編號(hào)】H04W40/24GK104113891SQ201410327300
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】楊琦, 林嘯 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)