[发明专利]一种动态k值分簇路由方法

说明书

本发明提出了一种动态k值分簇路由方法，本发明在每个周期的第1轮划分网络的分簇结构，然后结合当前网络分簇情况和能量分布计算出一个网络有效k值NK，并在接下来的NK轮内保持分簇结构不变，只在簇内进行簇头的更新。网络有效k值在每个周期开始时都会重新计算，因此网络周期的轮数是动态变化的；通过动态设置网络分簇周期，可以有效降低不良分簇结构对网络性能的影响，提高网络节点的能量利用率，有效均衡簇内节点的负载。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络分簇路由协议领域，特别是一种动态k值分簇路由方法。

背景技术

在无线传感器网络中，分布在网络中的传感器节点负责采集环境中的各类数据，并将数据周期性地发送给基站。由于传感器节点能量有限，每次采集和发送数据的操作都会消耗一定的能量。随着网络的运行，越来越多的节点由于能量耗尽而死亡，导致网络的性能不断下降甚至瘫痪。传统的无线传感器网络中，节点都是通过直接与基站进行通信来传送采集的数据，而且能耗大小与节点到的基站距离成正比，这一过程需要消耗大量能量。为了使得节点能量更多地用于数据采集，需要在无线传感器网络中引入路由协议，这也成为了无线传感器领域的一个研究热点。

目前已有很多基于无线传感器网络的节能路由协议被提了出来，从网络拓扑结构的角度可以大体将它们分为平面路由协议和分簇路由协议。平面路由协议中，各个网络节点的地位是平等的，它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。在这类协议中，目的节点向监测区域的节点发出查询命令，监测区域内的节点收到查询命令后，向目的节点发送监测数据。平面路由协议由于各个节点地位平等，所以网络结构简单、易扩展，不易产生瓶颈效应，但是由于缺少管理节点，因而缺乏对通信数据的优化，自组织协同工作算法也很复杂，对网络动态变化反应速度较慢，典型的平面路由协议有SPIN、SAR等。

相比较平面路由协议，分簇路由协议中的网络被划分成多个簇，每个簇由普通节点和簇头节点组成。普通节点完成数据的收集并将数据发往簇头，簇头节点负责簇内成员节点和数据信息的管理以及数据的簇间转发，另外簇头还可以协调簇内成员节点之间的工作。分簇路由协议的优点是簇头融合了节点发送来的数据然后再转发，可以大大减少网络中的通信量，成员节点功能比较简单，无须维护路由信息。同时与平面路由相比，更容易克服传感器节点移动带来的问题。

分簇路由协议按照数据传输方式的不同可以分为单跳分簇路由协议和多跳分簇路由协议。单跳分簇路由协议的典型特点是：网络中的簇头在收集到各个成员节点发送来的数据后，会将数据融合后直接发送给基站。而在使用多跳分簇路由协议的网络中，簇头节点会将成员节点发送来的数据进行融合后发送给上一层簇头节点，数据会经由设计好的路径传输给基站。多跳分簇路由协议的典型特点是，簇头节点不仅负责本簇内的数据传输，同时还负责下层节点簇的数据传输。

在采用了单跳分簇路由协议的网络中，网络中的节点分工明确：普通节点负责收集数据并将数据发送给所在簇的簇头节点，簇头节点负责接收簇内成员节点采集的数据，并将数据融合后直接发送给基站，同时在局部选簇时，负责选择新簇头，然后在簇内广播包含时隙信息和新簇头信息的消息报文。

LEACH-C协议是典型的单跳分簇路由协议。在使用LEACH-C协议的网络中，基站每次收集到一轮所有节点采集到的数据后，会进行重新分簇。重新分簇时，网络中的每个节点都必须要将自身的信息发送给基站，该协议直接的缺点就是频繁的分簇操作导致节点消耗不必要的能量。为此有研究人员提出LEACH-EB协议，在LEACH-EB协议中，网络周期扩展为1+k轮。在每个周期内，第一轮进行簇头选择并划分网络分簇结构，然后在接下来的k轮保持分簇结构不变，只在各个簇内进行簇头更新。通过这种方式可以有效减少网络分簇操作的次数，从而延长了网络的生命周期。但是LEACH-EB协议中的k值是固定不变的，由于在信息收集过程中节点能量分布是实时变动的，同时每个周期的分簇结构都是变化的，采用固定k值难以满足网络动态变化的需求。

发明内容

本发明针对现有LEACH-EB协议的不足，提出了一种动态k值分簇路由方法。