[发明专利]无线传感器网络节能分簇算法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中分簇算法，属于无线传感器网络领域。

背景技术

无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在许多重要领域都存在潜在的实用价值。因此，关于传感器网络的研究议题已成为当前国内外研究机构关注的热点之一。然而无线传感器网络是一种能量受限的网络，传感器节点通常只能携带能量十分有限的电池，大量节点密集部署在环境复杂的监测区域内，更换电池几乎是不可能的，因此无线传感器网络的首要设计目标就是有限能源的高效利用。电池作为传感节点的供能设备，是无线传感器网络获得高性能的一个关键因素。然而，从目前的研究来看，对电池能量特性的研究仍然没有深入到无线传感器网络领域，没有深入考虑电池本身的规律，割裂了电池放电特性和节能机制的有机联系，使得电池没有得到有效的恢复和利用。因此对电池放电特性进行更加深入的研究是十分有必要的。通过深入了解电池放电行为，分析电池放电行为对传感器网络的影响，能够有效地均衡全网节点的能量消耗，从而延长网络寿命。

分簇路由协议是把网络中的节点分成簇结构，并在每个簇内选出一个簇首节点，其余为成员节点。基于分簇的路由算法在拓扑管理、能量效率、数据融合等方面都具有明显的优势。因此，分簇路由协议在节省网络能量，延长网络寿命，保障网络可靠性等方面有广泛的应用前景。同时，如果在分簇路由协议的研究设计中加入对节点电池放电特性的考虑应能进一步提高分簇路由协议的性能。能源问题是无线传感器网络中一个主要的挑战，使电池供电的传感节点达到最大的生存时间来支持数据的采集与传输是当今的研究热点之一。

目前关注路由协议中能量损耗的算法称为能量感知路由算法，其主要是从数据传输过程中的能量消耗出发，讨论具有最优能量消耗以及最长网络寿命等问题。常见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-最大电池代价路由（Min-Max Battery Cost Routing，MMBCR）等。该类路由的优点是将能量作为形成路由的一个主要考虑因素，更好地解决了无线传感器网络能量有限的问题。

HEED算法主要是利用了一个混合因素来进行周期性地簇首选举，主要因素依赖于剩余能量，次要因素依赖于簇内通信代价。HEED的优点在于：分簇能在一个固定的迭代次数内终止；考虑成簇后簇内的通信开销，把节点剩余能量作为一个参量引入算法，形成的网络拓扑更趋合理，全网能量消耗更均匀。HEED的不足在于：周期性地进行簇重组，消耗了多余的额外能量；采用单跳发送数据，没有考虑到簇首与基站直接通信耗能大的问题。而其他算法，也大多考虑的是依据节点剩余能量，节点深度等因素，但是这种技术通常只有在当节点由碱性电池供电时才有效，因为此时电池的电压与其剩余能量值成正比例变化关系。然而，当节点由锂电池供电时，此技术就不再适用了，因为锂电池在其生命期间基本都维持一个恒定的电压值。目前，在WSN领域中，对电池放电特性的研究并没有非常深入，网络中仍存在部分节点过早失效的现象。而且，从目前的研究来看，对于传感器节点电池的定量分析与研究是少之又少，没有深入考虑电池本身的规律，将节能机制和电池放电特性的研究相分离，使得电池没有得到有效地恢复和利用，从而影响全网的生存寿命。

有鉴于此，本发明人针对现有技术的缺陷深入研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种有效节能的无线传感器网络节能分簇算法（BAR-HEED算法）。

本发明是这样实现的：

无线传感器网络节能分簇算法，当网络中某个节点的能量值低于设定的阈值时，就进行节点重组，重新选择簇头，具体包括如下步骤：

第一步骤：建立邻居列表阶段：

首先全网节点在自己的一跳节点范围内广播                                                ，消息中包含了该节点当前的剩余能量值，和节点预先算出的到下一个发包时刻的电池容量值；

电池模型公式为：

       表示电池总容量，即，的取值由具体电池性能得出，L表示的是电池的生命周期，即电池结束时间扣去开始时间的值，对于一个恒定的放电电流来说，该式可以简化为下式：