本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇構(gòu)建和簇頭更新方法。

背景技術(shù)：

分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，有利于分布式路由算法的應(yīng)用，具有較好的可擴(kuò)展性，適合大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。分簇路由協(xié)議通常將網(wǎng)絡(luò)劃分為簇，每個(gè)簇由簇頭和多個(gè)簇成員組成，簇頭管理或控制整個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)通過(guò)簇頭間多跳傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是通過(guò)高效的分簇算法形成合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)有效的簇頭輪換機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)連通性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。因此，簇穩(wěn)定性成了通信連接性能優(yōu)劣、簇維護(hù)開(kāi)銷的高低與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期長(zhǎng)短的主要決定因素，提高簇穩(wěn)定性、降低簇重建頻率和維護(hù)開(kāi)銷是簇構(gòu)建算法的重要目標(biāo)。

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由，圍繞簇頭的產(chǎn)生、簇的形成和簇的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)了許多無(wú)線傳感網(wǎng)分簇路由算法。《能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議》，軟件學(xué)報(bào)，2007，18(5)：1092-1109，作者劉明，曹建農(nóng)，陳貴海等，公開(kāi)了基于節(jié)點(diǎn)自身及其鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量設(shè)計(jì)簇頭選舉及簇構(gòu)建方案，通過(guò)調(diào)節(jié)簇頭覆蓋半徑確保由簇頭形成的子圖連通性，再構(gòu)建匯聚樹(shù)傳輸數(shù)據(jù)。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，不同簇成員之間的數(shù)據(jù)傳輸容易產(chǎn)生沖突，使得簇頭收集數(shù)據(jù)效率下降，從而容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞?！秂fficientroutingalgorithmbasedonunequalclusteringandconnectedgraphinwirelesssensornetworks》，internationaljournalofwirelessinformationnetworks,2016,23(2):141-150，作者xiah，zhangr，yuj，公開(kāi)了通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑將傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非均勻分簇，再采用連通圖理論設(shè)計(jì)路由選擇算法。但分簇時(shí)僅考慮能量空洞避免，使得簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇楣?jié)省能耗而頻繁變動(dòng)，導(dǎo)致維護(hù)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的代價(jià)過(guò)大，造成網(wǎng)絡(luò)性能下降。簇頭間路由算法僅使用圖論設(shè)計(jì)簇頭間數(shù)據(jù)傳輸路由，忽視了無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議棧的信息共享以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，優(yōu)化效果受限。

從上述現(xiàn)有技術(shù)可知，現(xiàn)有無(wú)線傳感網(wǎng)簇結(jié)構(gòu)及路由方法性能不穩(wěn)定、性能不均衡；如何利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式的特點(diǎn)建立更高效的啟發(fā)機(jī)制、通過(guò)局部區(qū)域有限范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的互動(dòng)和信息反饋來(lái)分簇，在降低節(jié)點(diǎn)間通信干擾、保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期的同時(shí)，提高簇穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能仍然有待進(jìn)一步創(chuàng)新。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、要解決的問(wèn)題

針對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感網(wǎng)簇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種無(wú)線傳感網(wǎng)簇構(gòu)建和簇頭更新方法，能夠提高簇穩(wěn)定性，改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能。

2、技術(shù)方案

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

一種無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，

在傳感器節(jié)點(diǎn)部署后，節(jié)點(diǎn)間定時(shí)發(fā)送hello消息收集相鄰的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，使用基于rssi測(cè)距的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位算法，以匯聚節(jié)點(diǎn)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，建立相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)保存其坐標(biāo)信息；通過(guò)以匯聚節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，由近及遠(yuǎn)地完成全網(wǎng)的多層次簇構(gòu)建；

具體包括如下步驟，

步驟a，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心、將傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信半徑內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為第0層簇網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)成為簇頭或簇成員，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)劃分為簇節(jié)點(diǎn)和空白節(jié)點(diǎn)，簇節(jié)點(diǎn)為已經(jīng)成為簇頭或簇成員的節(jié)點(diǎn)，反之則為空白節(jié)點(diǎn)；

步驟b，使用傳感器節(jié)點(diǎn)能耗平衡策略方法構(gòu)建第1層簇網(wǎng)絡(luò)；

步驟c，以簇頭能力值為依據(jù)，依次建立第1層簇網(wǎng)絡(luò)的下層簇網(wǎng)絡(luò)，即建立第2、第3、……第n層簇網(wǎng)絡(luò)，n≥2。

優(yōu)選地，步驟b中傳感器節(jié)點(diǎn)能耗平衡策略方法包括，

步驟b1，計(jì)算步驟a中所述的第0層簇網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)能耗平衡值，并廣播簇構(gòu)建請(qǐng)求消息，節(jié)點(diǎn)i的能耗平衡值計(jì)算方法如下：

表示節(jié)點(diǎn)i的初始能量，j為節(jié)點(diǎn)i所有鄰居節(jié)點(diǎn)j的集合；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)；d(,)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的歐幾里得距離；

步驟b2，在收到所有第0層簇網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點(diǎn)的簇構(gòu)建消息后，空白節(jié)點(diǎn)選擇具有最大能耗平衡值的鄰居節(jié)點(diǎn)作為簇頭，通過(guò)回復(fù)入簇消息請(qǐng)求加入簇結(jié)構(gòu)；

步驟b3，第0層簇網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在接收到空白節(jié)點(diǎn)的入簇消息后，檢測(cè)其自身是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則將自身設(shè)置為簇頭并廣播成簇消息，通知簇成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若節(jié)點(diǎn)在簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)長(zhǎng)t超時(shí)后仍未收到自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的入簇請(qǐng)求消息，則該節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)并進(jìn)入睡眠狀態(tài)；至此，完成第1層簇網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

優(yōu)選地，步驟c中，

以簇頭能力值為依據(jù)，依次建立第2、第3、……第n層簇網(wǎng)絡(luò)，n≥2，

具體步驟為，

步驟c1，第n-1層簇網(wǎng)絡(luò)中各簇成員計(jì)算自身簇頭能力值，隨后廣播簇構(gòu)建請(qǐng)求消息；

步驟c2，空白節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自第n-1層鄰居節(jié)點(diǎn)的簇構(gòu)建消息時(shí)，將其簇頭能力值保存至鄰居表中；在接收到所有上層鄰居簇頭的簇構(gòu)建消息后，選擇其中具有最大簇頭能力值的作為自身簇頭，回復(fù)入簇消息；

步驟c3，第n-1層節(jié)點(diǎn)在接收到第n層節(jié)點(diǎn)的入簇消息后，檢測(cè)其自身是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則將自身設(shè)置為簇頭并廣播成簇消息，通知簇成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若節(jié)點(diǎn)在簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)長(zhǎng)t超時(shí)后仍未收到自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的入簇請(qǐng)求消息，則該節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)并進(jìn)入睡眠狀態(tài)。將所有成為簇頭的節(jié)點(diǎn)劃入第n層。至此，完成第n層簇網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；

步驟c4，重復(fù)步驟c1-c3，直至完成整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)的簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

優(yōu)選地，步驟c1中，簇頭能力值的計(jì)算方法如下，

首先，判斷節(jié)點(diǎn)i擔(dān)任簇頭角色時(shí)該簇的穩(wěn)定值si，計(jì)算公式如下：

si為節(jié)點(diǎn)i在同層簇網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點(diǎn)集合，r為通信半徑，d(,)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的歐幾里得距離，和分別表示節(jié)點(diǎn)j的剩余能量和初始能量；

然后，計(jì)算節(jié)點(diǎn)簇頭能力值，

zi為節(jié)點(diǎn)i通信半徑范圍內(nèi)的空白節(jié)點(diǎn)集合；rj(j∈zi)為zi中節(jié)點(diǎn)j上報(bào)數(shù)據(jù)量的數(shù)學(xué)期望；pi為位于節(jié)點(diǎn)i通信半徑內(nèi)，且歸屬于第n-2層簇網(wǎng)絡(luò)中簇頭的集合；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)。

一種無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇結(jié)構(gòu)，采用上述方法構(gòu)建。

一種上述無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇結(jié)構(gòu)中簇頭更新方法，包括如下步驟，

步驟a，簇頭i依據(jù)剩余能量、流量負(fù)載等因素，采用下式評(píng)估是否能夠滿足繼續(xù)擔(dān)任簇頭，若下式不滿足，轉(zhuǎn)步驟b進(jìn)行簇更新；

表示簇頭i的剩余能量，表示簇頭i在一輪數(shù)據(jù)傳輸中消耗能量的平均值，ci為簇頭i的子簇頭集合，ui為簇頭i所在簇的成員節(jié)點(diǎn)集合；rj以簇頭i的簇成員節(jié)點(diǎn)j上報(bào)數(shù)據(jù)量的數(shù)學(xué)期望，li、lj分別表示簇頭i及其子簇頭j的流量負(fù)載的數(shù)學(xué)期望；

以上所述的子簇頭是相對(duì)概念，指位于當(dāng)前簇頭通信半徑內(nèi)，且歸屬于當(dāng)前簇頭所在網(wǎng)絡(luò)層次的下一層網(wǎng)絡(luò)中的簇頭；

步驟b，簇頭i通過(guò)廣播簇更新消息，通知其鄰居節(jié)點(diǎn)該進(jìn)入簇頭更新?tīng)顟B(tài)；隨后鄰居節(jié)點(diǎn)j根據(jù)雙方位置、j的剩余能量及所在層次的相鄰兩層中的鄰居簇頭信息，按下式計(jì)算自身的簇頭能力值，

d(,)表示簇頭i與節(jié)點(diǎn)j的歐幾里得距離，表示節(jié)點(diǎn)j的剩余能量，cj表示節(jié)點(diǎn)j的通信半徑內(nèi)下層網(wǎng)絡(luò)中簇頭集合，pj表示節(jié)點(diǎn)j通信半徑內(nèi)上層網(wǎng)絡(luò)中簇頭集合，pk表示節(jié)點(diǎn)j的通信半徑內(nèi)下層網(wǎng)絡(luò)中簇頭的父簇頭集合，j為簇頭i所有鄰居節(jié)點(diǎn)j的集合；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)；

以上所述的父簇頭是相對(duì)概念，指位于當(dāng)前簇頭通信半徑內(nèi)，且歸屬于當(dāng)前簇頭所在網(wǎng)絡(luò)層次的上一層網(wǎng)絡(luò)中的簇頭；

步驟c，簇頭i推選具有最大簇頭能力值的節(jié)點(diǎn)作為新簇頭，再分別由簇頭i、新簇頭在各自通信半徑內(nèi)廣播簇頭更換消息，并完成角色轉(zhuǎn)換；

步驟d，收到簇頭i的簇頭更換消息、但未收到來(lái)自新簇頭的簇頭更換消息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居表判斷其通信范圍內(nèi)是否有簇頭鄰居，如有則向簇頭能力值最大的鄰居簇頭發(fā)送請(qǐng)求加入消息，否則進(jìn)入孤立節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；孤立節(jié)點(diǎn)選擇剩余能量最大的鄰居節(jié)點(diǎn)中繼數(shù)據(jù)，后期網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，如收到新簇頭廣播消息時(shí)加入具有最大簇頭能力值的簇。

3、有益效果

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明構(gòu)造的層次式簇結(jié)構(gòu)，在原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)之上形成一個(gè)多連接的虛擬簇頭網(wǎng)絡(luò)，簇頭間通過(guò)多跳方式將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，克服了leach等協(xié)議采用單跳傳輸方式所帶來(lái)的高能耗；

(2)本發(fā)明構(gòu)造的層次式簇結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性高、分布式按需簇更新的特點(diǎn)，且克服了傳統(tǒng)方法周期性全網(wǎng)簇更新所帶來(lái)的高額開(kāi)銷。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明無(wú)線傳感網(wǎng)簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；

圖中a-k為各簇頭結(jié)構(gòu)；短虛線內(nèi)為第0層簇網(wǎng)絡(luò)；實(shí)線內(nèi)為第1層簇網(wǎng)絡(luò)；長(zhǎng)虛線內(nèi)為第2層簇網(wǎng)絡(luò)；長(zhǎng)虛線外為第3層簇網(wǎng)絡(luò)；

圖2為本發(fā)明簇頭間的邏輯連接關(guān)系圖(以簇頭i為例)；

圖中ip為簇頭i在上層網(wǎng)絡(luò)中的父簇頭；ic為簇頭i的在下層網(wǎng)絡(luò)中的子簇頭；iq為簇頭i通信半徑內(nèi)的同層簇頭；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式中簇頭i的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)其所有父簇頭的干擾場(chǎng)景；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式中簇頭i對(duì)其所有子簇頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_場(chǎng)景；

圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式中簇頭i數(shù)據(jù)傳輸對(duì)同層簇頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_場(chǎng)景。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行描述。

如圖1和圖2所示，一種無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇結(jié)構(gòu)，存在a-k共11個(gè)簇頭結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為4層，分別為第0層簇網(wǎng)絡(luò)、第1層簇網(wǎng)絡(luò)、第2層簇網(wǎng)絡(luò)和第3層簇網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)在簇之間傳遞直至匯聚節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明構(gòu)建完成的簇網(wǎng)絡(luò)，邏輯連接關(guān)系僅存在于相鄰層的簇頭間，同層網(wǎng)絡(luò)的簇頭間不存在邏輯連接關(guān)系。存在邏輯連接關(guān)系的簇頭中，將上層網(wǎng)絡(luò)中的簇頭稱為父簇頭，下層網(wǎng)絡(luò)中的簇頭稱為子簇頭。

其構(gòu)建方法為，在傳感器節(jié)點(diǎn)部署后，節(jié)點(diǎn)間定時(shí)發(fā)送hello消息收集相鄰的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，使用基于rssi測(cè)距的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位算法，以匯聚節(jié)點(diǎn)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，建立相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)保存其坐標(biāo)信息；通過(guò)以匯聚節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，由近及遠(yuǎn)地完成全網(wǎng)的多層次簇構(gòu)建；

具體包括如下步驟，

步驟a，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心、將傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信半徑內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為第0層簇網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)成為簇頭或簇成員，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)劃分為簇節(jié)點(diǎn)和空白節(jié)點(diǎn)，簇節(jié)點(diǎn)為已經(jīng)成為簇頭或簇成員的節(jié)點(diǎn)，反之則為空白節(jié)點(diǎn)；

步驟b，使用傳感器節(jié)點(diǎn)能耗平衡策略方法構(gòu)建第1層簇網(wǎng)絡(luò)；

本步驟中傳感器節(jié)點(diǎn)能耗平衡策略方法包括如下步驟：

步驟b1，計(jì)算步驟a中所述的第0層簇網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)能耗平衡值，并廣播簇構(gòu)建請(qǐng)求消息，節(jié)點(diǎn)i的能耗平衡值計(jì)算方法如下：

表示節(jié)點(diǎn)i的初始能量，j為節(jié)點(diǎn)i所有鄰居節(jié)點(diǎn)j的集合；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)；d(,)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的歐幾里得距離。

步驟b2，在收到所有第0層簇網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點(diǎn)的簇構(gòu)建消息后，空白節(jié)點(diǎn)選擇具有最大能耗平衡值的鄰居節(jié)點(diǎn)作為簇頭，通過(guò)回復(fù)入簇消息請(qǐng)求加入簇結(jié)構(gòu)；

步驟b3，第0層簇網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在接收到空白節(jié)點(diǎn)的入簇消息后，檢測(cè)其自身是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則將自身設(shè)置為簇頭并廣播成簇消息，通知簇成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若節(jié)點(diǎn)在簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)長(zhǎng)t超時(shí)后仍未收到自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的入簇請(qǐng)求消息，則該節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)并進(jìn)入睡眠狀態(tài)；至此，完成第1層簇網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；

本步驟中t取2秒，但t可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、傳感器分布特征、傳感器通信半徑等進(jìn)行調(diào)整；

本步驟中承擔(dān)第1層簇頭以及這些簇頭覆蓋的成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了第1層簇網(wǎng)絡(luò)；

步驟c，以簇頭能力值為依據(jù)，依次建立第1層簇網(wǎng)絡(luò)的下層簇網(wǎng)絡(luò)，即建立第2、第3、……第n層簇網(wǎng)絡(luò)，n≥2；具體步驟為：

步驟c1，第n-1層簇網(wǎng)絡(luò)中各簇成員計(jì)算自身簇頭能力值，隨后廣播簇構(gòu)建請(qǐng)求消息；

簇頭能力值的計(jì)算方法如下，

首先，判斷節(jié)點(diǎn)i擔(dān)任簇頭角色時(shí)該簇的穩(wěn)定值si，計(jì)算公式如下：

si為節(jié)點(diǎn)i在同層簇網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點(diǎn)集合，r為通信半徑，d(,)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的歐幾里得距離，和分別表示節(jié)點(diǎn)j的剩余能量和初始能量；

然后，計(jì)算節(jié)點(diǎn)簇頭能力值，

zi為節(jié)點(diǎn)i通信半徑范圍內(nèi)的空白節(jié)點(diǎn)集合；rj(j∈zi)為zi中節(jié)點(diǎn)j上報(bào)數(shù)據(jù)量的數(shù)學(xué)期望；pi為位于節(jié)點(diǎn)i通信半徑內(nèi)，且歸屬于第n-2層簇網(wǎng)絡(luò)中簇頭的集合；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)；

步驟c2，空白節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自第n-1層鄰居節(jié)點(diǎn)的簇構(gòu)建消息時(shí)，將其簇頭能力值保存至鄰居表中；在接收到所有上層鄰居簇頭的簇構(gòu)建消息后，選擇其中具有最大簇頭能力值的作為自身簇頭，回復(fù)入簇消息；

步驟c3，第n-1層節(jié)點(diǎn)在接收到第n層節(jié)點(diǎn)的入簇消息后，檢測(cè)其自身是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則將自身設(shè)置為簇頭并廣播成簇消息，通知簇成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若節(jié)點(diǎn)在簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)長(zhǎng)t超時(shí)后仍未收到自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的入簇請(qǐng)求消息，則該節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)并進(jìn)入睡眠狀態(tài)。將所有成為簇頭的節(jié)點(diǎn)劃入第n層。至此，完成第n層簇網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；

本步驟中t取2秒，但t可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、傳感器分布特征、傳感器通信半徑等進(jìn)行調(diào)整；

步驟c4，重復(fù)步驟c1-c3，直至完成整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)的簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建；

本步驟中承擔(dān)第n層簇頭以及這些簇頭覆蓋的成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了第n層簇網(wǎng)絡(luò)。

該方法綜合考慮了簇網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)載與傳輸能力以及對(duì)其他簇結(jié)構(gòu)的影響。簇頭能力值的定義為構(gòu)建合理的初始化簇網(wǎng)絡(luò)提供了支持。簇頭能力值通過(guò)與節(jié)點(diǎn)相關(guān)的路由數(shù)有效地控制新構(gòu)造的簇對(duì)已存在的其他簇產(chǎn)生的影響，同時(shí)使用穩(wěn)定性與父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)判斷簇頭傳輸數(shù)據(jù)的能力。

在上述無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇結(jié)構(gòu)初始化構(gòu)建周期結(jié)束后，匯聚節(jié)點(diǎn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)通過(guò)廣播分簇消息通知各個(gè)節(jié)點(diǎn)；各簇頭節(jié)點(diǎn)在接收到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行消息后，再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，通知其鄰居節(jié)點(diǎn)，由此，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均可接收到該消息；節(jié)點(diǎn)在接收到廣播分簇消息后，開(kāi)啟運(yùn)行周期，直至能量耗盡；每個(gè)周期包括簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸階段與簇間數(shù)據(jù)傳輸階段；首先，簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸階段，簇成員節(jié)點(diǎn)通過(guò)基于競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制層協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至簇頭節(jié)點(diǎn)后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個(gè)周期的簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸階段的到來(lái)；然后，在簇間數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并將數(shù)據(jù)通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)間轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)；

簇頭節(jié)點(diǎn)在簇間數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束時(shí)，判斷自身是否能夠繼續(xù)擔(dān)任簇頭。當(dāng)簇頭剩余能量不足以繼續(xù)擔(dān)任簇頭時(shí)，進(jìn)入簇頭更新階段。選擇新的簇頭時(shí)，充分考慮候選簇頭的剩余能量以及與原簇頭之間距離，盡量避免對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓斐蛇^(guò)大的變動(dòng)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及本身的傳輸能力也是很重要的因素。節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)中的任一個(gè)相較另一個(gè)偏大或偏小容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞或資源分配不平衡導(dǎo)致信道資源浪費(fèi)。

一種上述無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇結(jié)構(gòu)中簇頭更新方法，包括如下步驟，

步驟a，簇頭i依據(jù)剩余能量、流量負(fù)載等因素，采用下式評(píng)估是否能夠滿足繼續(xù)擔(dān)任簇頭，若下式不滿足，轉(zhuǎn)步驟b進(jìn)行簇更新；

表示簇頭i的剩余能量，表示簇頭i在一輪數(shù)據(jù)傳輸中消耗能量的平均值，ci為簇頭i的子簇頭集合，ui為簇頭i所在簇的成員節(jié)點(diǎn)集合；rj以簇頭i的簇成員節(jié)點(diǎn)j上報(bào)數(shù)據(jù)量的數(shù)學(xué)期望，li、lj分別表示簇頭i及其子簇頭j的流量負(fù)載的數(shù)學(xué)期望；

步驟b，簇頭i通過(guò)廣播簇更新消息，通知其鄰居節(jié)點(diǎn)該進(jìn)入簇頭更新?tīng)顟B(tài)；隨后鄰居節(jié)點(diǎn)j根據(jù)雙方位置、j的剩余能量及所在層次的相鄰兩層中的鄰居簇頭信息，按下式計(jì)算自身的簇頭能力值，

d(,)表示簇頭i與節(jié)點(diǎn)j的歐幾里得距離，表示節(jié)點(diǎn)j的剩余能量，cj表示節(jié)點(diǎn)j的通信半徑內(nèi)下層網(wǎng)絡(luò)中簇頭集合，pj表示節(jié)點(diǎn)j通信半徑內(nèi)上層網(wǎng)絡(luò)中簇頭集合，pk表示節(jié)點(diǎn)j的通信半徑內(nèi)下層網(wǎng)絡(luò)中簇頭的父簇頭集合，j為簇頭i所有鄰居節(jié)點(diǎn)j的集合；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)；

步驟c，簇頭i推選具有最大簇頭能力值的節(jié)點(diǎn)作為新簇頭，再分別由簇頭i、新簇頭在各自通信半徑內(nèi)廣播簇頭更換消息，并完成角色轉(zhuǎn)換；

步驟d，收到簇頭i的簇頭更換消息、但未收到來(lái)自新簇頭的簇頭更換消息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居表判斷其通信范圍內(nèi)是否有簇頭鄰居，如有則向簇頭能力值最大的鄰居簇頭發(fā)送請(qǐng)求加入消息，否則進(jìn)入孤立節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；孤立節(jié)點(diǎn)選擇剩余能量最大的鄰居節(jié)點(diǎn)中繼數(shù)據(jù)，后期網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，如收到新簇頭廣播消息時(shí)加入具有最大簇頭能力值的簇；簇更新造成的孤立簇執(zhí)行步驟b和c進(jìn)行簇更新。

本實(shí)施例通過(guò)基于上述一種無(wú)線傳感網(wǎng)多層次簇結(jié)構(gòu)的分布式路由方法，以說(shuō)明其穩(wěn)定性好、性能高的優(yōu)點(diǎn)；

本發(fā)明使用干擾因子為依據(jù)計(jì)算下一跳選擇的概率。具體方案如下：

步驟a，簇頭間通過(guò)hello消息交換彼此的邏輯連接關(guān)系、簇頭負(fù)載預(yù)測(cè)值以及自身的干擾因子，并將其記錄入各自的鄰居表中；鄰居表中，標(biāo)記出簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程中形成的簇頭間父、子、同層關(guān)系；

本步驟中簇頭i負(fù)載預(yù)測(cè)值的計(jì)算公式如下，

li、lj分別表示簇頭i及其子簇頭j的負(fù)載預(yù)測(cè)值，pj、cj分別表示簇頭j的父簇頭與子簇頭集合；ui為簇頭i所在簇的成員節(jié)點(diǎn)集合，rj表示以i為簇頭的簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)j上報(bào)數(shù)據(jù)量的數(shù)學(xué)期望；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)；

步驟b，更新與維護(hù)簇頭i數(shù)據(jù)傳輸對(duì)鄰居簇頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_因子；

本步驟中確定簇頭i數(shù)據(jù)傳輸對(duì)鄰居簇頭的數(shù)據(jù)傳輸干擾因子的更新與維護(hù)，計(jì)算公式如下，

右邊第一項(xiàng)計(jì)算簇頭i對(duì)其父簇頭集合中所有成員的子簇頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_程度(圖3)；第二項(xiàng)計(jì)算簇頭i對(duì)其子簇頭中所有成員數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_程度(圖4)；第三項(xiàng)計(jì)算簇頭i對(duì)所有同層鄰居簇頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_程度(圖5)；

pi、pk分別為簇頭i和k的父簇頭集合，cj為簇頭j的子簇頭集合，mi為簇頭i通信半徑范圍內(nèi)同層簇頭集合，lk表示簇頭k的流量負(fù)載預(yù)測(cè)值；||表示集合中元素的個(gè)數(shù)；

步驟c，下層網(wǎng)絡(luò)簇頭j以所計(jì)算的各父簇頭干擾因子為依據(jù)，確定各父簇頭為下一跳的概率；

計(jì)算方法如下，

pj表示簇頭j的父簇頭集合，ifi、ifk分別為簇頭j的父簇頭i、k的干擾因子；x為簇頭j通過(guò)hello消息已獲取干擾因子值的鄰居簇頭數(shù)量，未獲取干擾因子的簇頭i干擾因子值ifi為0，且被選作下一跳的概率為||表示集合中元素的個(gè)數(shù)。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。