[发明专利]一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，属无线传感器网络设计应用技术领域。

背景技术：

微电子技术、嵌入式计算技术以及无线通信等技术的飞速发展和日益成熟，推动了低功耗、多功能传感器技术的快速发展，使之具有在微小体积的传感器节点内集成信息采集、数据处理和无线通信等功能。部署在感知区域的大量微型传感器节点，为了协同地感知、处理和传输采集到的数据，通过多跳的自组织无线通信方式，最后形成一个无线传感器网络，简称为传感器网络。目前，传感器网络正被广泛地应用于鸟类迁徙、煤矿挖掘、海深测量等各种领域，具有广阔的应用前景。

传感器网络的特点是传感器节点资源受到某些限制，比如能量供给有限，计算、通信能力受限。同时，传感器网络的数据具有连续、不确定性等特点。为此，人们深入研究了以数据为中心的传感器网络资源与任务管理技术，包括资源分配、任务分配、任务调度等。这些研究已经取得了许多有价值的成果，但仍有许多问题没解决：第一，如何将抽象任务分解为若干由基本任务组成的子任务序列，并实现各个基本任务的负载均衡；第二，现有的任务管理方法，对任务管理引起的节点间能量分配不均考虑得还不够，需要在实施有效任务管理的同时实现对网络能量资源的优化配置；第三，只考虑到已知的静态环境，不能适应与资源和任务管理的实时应用需求，结果是不能根据任务的动态变化自适应地调节网络的性能。

传感器网络的负载均衡通过调节各节点的任务量和数据流量来均衡化网络内的能量消耗，并减少通信拥塞，最终延长系统寿命。重构算法用来延长网络寿命，被划分为两类，自愿重构和强制重构。一方面，自愿重构采用一个分布函数或邻居节点表来确定簇头，依据每个节点所选随机数和一个分布函数来随机选择簇头。现有的方法用节点的剩余能量来确定相关阈值，这样剩余能量较多的节点成为簇头的可能性大，达到了延长网络寿命的目的。通过维护邻接表，满足给定条件（如最小节点标识、最大邻居节点数、或最大剩余能量）的节点成为簇头。但是，簇头位置或分布不能成为影响重构的因素，上述自愿重构方法导致簇头分布错误，且每次重构中簇头数都会改变，使得聚簇网络的能耗高，所以不理想。另一方面，强制重构中，当簇头的剩余能量小于上述阈值，剩余能量最多的节点会被选作下一簇头。当簇头聚合节点数据到所在簇中去时，会得到剩余能量的信息，即每个节点的信息被加到数据包中并传送到簇头。很多情况下，簇头数在重构过程中是常数，如果簇头数准确，强制重构比自愿重构更能节省能量。然而，同样的问题也出现在平衡节点数中，因为簇头的分布不能成为重构的决定因素。以上这些策略都是从单个方面讨论负载均衡问题，因此需要设计精简、自主适变、快速收敛的方法来实现对网络能量资源的优化配置。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，把任务管理划分为稳态和重构两个阶段，建立了对网络能量资源的优化配置，对重构的系统步骤进行了改进，实现了对各个簇区域的负载平衡，具有均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞、延长网络生命周期的特点。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。

本发明提供的一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，包括如下步骤：

（1）将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合，将一个节点在单跳传输距离内没有簇头的概率称为孤立概率，将许多帧构成的周期称为轮；

（2）将聚簇重构的负载均衡方法划分为稳态和重构两个阶段；

（3）在稳态阶段，进行初始化轮数、簇头、消息数，当前轮接受原始数据和消息数；

（4）在重构阶段，第1轮随机创建簇头集合；

（5）在重构阶段的其余轮，根据簇中的簇头和节点数能满足相关阈值条件，从节点子集中选择一个最多剩余能量的节点为簇头；

（6）在重构阶段的其余轮，根据当前簇头所满足的条件，或者广播消息，或者标记接受消息数，重新选择簇头；

（7）运用平衡因子作为负载均衡的衡量标准，来均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞。

所述步骤（1）中，将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合；每个子集合称为一个簇，并具备一个簇头；每个簇由簇头节点负责全局路由，其它节点从簇头处接受数据或通过簇头发数据；

所述步骤（2）中，将聚簇重构的负载均衡方法，划分为稳态和重构两个阶段；

其中，轮为包含稳态阶段和重构阶段的周期；

稳态阶段被划分为许多帧，每一帧的所有节点传送原始数据到各自的簇头中去；