[发明专利]一种可扩展的无线传感器网络组网方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种可扩展的无线传感器网络组网方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)融合了传感器技术、无线通信技术和数据库处理技术，由具有传感、计算和通信能力的节点组成，是一种新型的以数据为中心的无线网络。主要功能是收集传感器节点所在监测区域的信息，进行一定的处理后传给基站，实现对物理世界的监测。无线传感器网络已经广泛地应用于工业、农业、军事、环境监测、医疗监护等各个领域。

在WSNs中，节点能量有限，节点能量耗尽将影响整个网络的性能。节点的能耗主要集中在数据采集与数据传输两个方面，而数据传输的能耗远远大于数据采集。因此，通过建立良好的路由来减少网络能耗，成为WSNs的研究重点与热点。

根据网络的拓扑结构可以将路由协议分为平面路由协议与分簇路由协议。在平面路由协议中，由于网络中没有中心管理节点，不能够实现网络资源的优化，且数据从源节点到目的节点经过的跳数较多，数据时延较长，不适于大规模的网络，而WSNs的发展趋势是规模越来越大，所以平面路由协议不能适应当前WSNs的发展趋势。

在分簇路由协议中，普通节点采集到数据后将数据发送给自己的簇首，簇首将数据进行处理后，转发至目的节点。该种路由协议可扩展性强，在数据传输过程中可以通过数据融合来减少数据的传输量，拓扑管理方便，可以应用于大规模的网络。

发明内容

本发明的目的是减少网络重建所带来的能耗问题，提供一种可扩展的无线传感器网络组网方法。首先，在候选簇首的选举过程中，考虑到网络中节点的剩余能量，降低了低能量节点成为候选簇首的概率；其次，在簇首的选举过程中，考虑到候选节点的剩余能量、候选簇首的邻居节点数、各节点到候选簇首的价值度等因素，既保证了被选出的簇首具有较高的能量，又保证了簇首分布在节点比较集中的区域，将少了数据的传输距离从而减少了能量消耗，有利于延长网络的生命周期。另外，当簇内的平均能量大于某个阈值时，不需要再全网范围内进行重新分簇，只需要在簇内选举出新的簇首即可。最后，当有新的节点加入网络时，引入入网许可值，通过对节点的位置分布、簇头节点的能量、以及相应簇的负载值的考虑，选择节点所要加入的簇，使用预留时隙为节点分配TDMA时隙。

按照本发明提供的技术方案，一种可扩展的无线传感器网络组网方法，该方法包括：网络分簇、簇内簇首选举、网络扩展三个部分。

在该方法网络分簇阶段，候选簇首阈值的设定考虑到节点的剩余能量，大大降低了低能量节点被选为候选的概率，可以避免节点因多次当选簇首能量消耗过大而产生的热点问题；在簇首的选举过程中，节点根据数据经各簇首转发至基站所经过路径的平方和，来选取转发代价最小的三个簇首作为自己的候选簇首，可以避免当簇首分布较偏的时候，数据因距离较远而带来的能耗过大问题。节点从三个候选簇首中，选取剩余能量大、邻居节点多的候选簇首作为自己的最终簇首，既保证了簇首具有较高的能量，又能保证簇首分布在节点相对集中的区域。

在该方法的簇内簇首选举阶段，不仅考虑了簇内节点的剩余能量，还考虑了簇内成员节点与簇首的通信代价，既可以均衡簇内节点的能量，避免低能量节点当选为簇首，又减少了簇内通信代价，节约了能量，有效的延长了网络的生命周期。

在该方法的网络扩展阶段，引入节点的入网许可值，通过对所要加入簇的能量和距离的考虑，使得选择的簇头节点对于新入网节点而言，具有更好的健壮性，而通过对簇的负载值的考虑，使得网络的负载分布更均匀。同时，引入数据共享机制，减少了网络中数据的交互量，而且由于仅计算距离新入网节点最近的簇头节点以及该簇头节点一跳内的簇头节点的入网许可值，降低簇头节点的计算量，更符合现有网络中关于节能的要求。而且该过程可以发生在网络通信的任意节点，而不用等待到簇的重建。新入网节点使用预留时隙进行数据发送，而无需等待每轮簇的周期结束。

具体实施方式