[发明专利]一种基于能量均衡的无线传感网成簇算法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器自组织网络技术领域，特别是涉及一种基于能量均衡的无线传感网成簇算法。

背景技术

无线传感器网是一个能量受限网络，节约能量是首先要考虑的问题。采用集群结构，能有效减少数据通信量，应用分布式算法，适合大规模部署的网络，并且由于大部分节点在相当长时间内关闭通信模块，能显著延长整个网络的生存时间。

大多数无线传感网络集群结构协议中，传感器节点将所采集的数据传输到簇首。在传统的集群结构中，簇首随机产生后，普通节点根据收到的簇首广播的成簇信息，加入离自己最近的簇首。这样有可能部分簇规模很大，部分簇规模很小，使簇首能量消耗严重不均，某些簇首能量早早消耗，而某些簇首能量消耗很少。簇首通过多跳传输到汇聚节点(Sink)，从而形成“多对一”的汇聚型传输。由于越靠近sink节点的簇首既要管理簇内节点又要负责簇外的数据收发，因此往往会比其他的节点耗费更多的能量。如果簇首节点先于簇内节点失效，会影响网络的数据传递，甚至整个网络将无法正常工作。其中，成簇场景如图1所示，图中虚拟椭圆为一个PAN，每个PAN均为星型拓扑结构。

在传统的IEEE 802.15.4标准中，簇首在同意周围节点加入成簇的时候采用“尽力而为”的做法，最终使得无线传感器网络每个PAN规模大小一致，即每个PAN的成员节点数量基本相同，这样做带来的缺陷是，深度越小的簇首不仅要融合和发送本簇成员节点的数据，还要转发其他节点深度更大的簇首的数据，在簇规模大小相同的情况下深度小的簇首消耗的能量会比深度大的簇首多，造成网络能量消耗的不均衡，出现“漏斗效应”，不利于延长无线传感器网络的生命周期。

另外，IEEE802.15.4标准中下级簇首是由上级簇首随机指定的，这种做法带来的后果就是，如果一个剩余能量很低的节点被上级簇首指定为下级簇首，则会造成该PAN过早的死亡；如果一个距离上级簇首较近的节点被指定为下级簇首，则有可能造成两个PAN的重叠区域较大，可能会来较大的临频干扰或者同频干扰，造成能量的浪费，所以这种随机指派下级簇首的做法不利于延长WSN网络的生命周期。

发明内容

本发明是提供一种基于能量均衡的无线传感网成簇算法，解决了能量消耗不均问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于能量均衡的无线传感网成簇算法，包括以下步骤：

（1）PAN网络协调器广播网络信标命令帧要求周围节点加入自己成簇，形成了WSN中第一个PAN网络；

（2）根据成员节点数量形成簇规模等级表并保存，同时记录下每个成员节点的节点信息，构成节点成簇首能力表并保存；

（3）PAN网络协调器根据节点当选为簇首的原则，通过查找本簇的节点成簇首能力表来指定当选为下一级簇首的节点，并且PAN网络协调器将簇规模等级表发送给所有下一级簇首；

（4）当选的下一级簇首在收到上级簇首发送来的成簇规模等级表后，便进入了自己的PAN网络建立过程，广播网络信标命令帧要求周围节点加入自己成簇，当成员节点数目到达成簇规模等级表所规定的最大值时便不再允许周围节点加入成簇，然后为成员节点分配网络地址，形成本簇的节点成簇首能力表；

（5）重复步骤（3）至步骤（4），完成整个网络的拓扑结构建立。

所述簇规模等级表用于建立簇首等级与该簇首所能容纳子节点数量的关系。

所述簇规模等级表中第n层的簇首所能容纳的子节点数量f(n)应满足：f(n)≤a₀q^n-1；其中，a₀为所在的第一个PAN的子节点数量；q为相邻层次间簇的子节点数量公比，且q>1。

所述成簇首能力表包括节点的扩展地址、节点的网络地址、节点的剩余能量、簇首接收到该信号的功率强度、节点的网络深度和节点所属PAN的标识符。

所述步骤（3）中PAN网络协调器根据每个成员节点的成簇能力表来指定当选为下级簇首的节点，其原则是节点剩余能量越大，当选簇首概率越大；节点距离簇首越远，当选簇首概率越大；上级簇首的数量和下级簇首的数量保持接近。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过一个简单的信令，就解决了能量消耗不均问题，可以有效地延长网络生存周期，降低节点的能量浪费，均衡全局节点的能量消耗。并且也在一定程度上均衡了负载，减少通信干扰。

附图说明

图1是现有技术中成簇场景示意图；