[发明专利]一种基于移动sink的无线传感网分簇方法

说明书

本发明公开了一种以移动sink在无线传感网中进行数据收集为前提，对无线传感网中的节点进行分簇的方法。首先，利用DBSCAN算法在空间上依据节点分布的密度进行粗略的分簇，将节点分布具有足够密度的区域划分为一个大簇，大簇由有限个小簇组成。小簇的半径为单跳传输距离，使得簇内节点到簇头节点单跳可达。然后以DBSCAN算法生成的小簇为基础利用萤火虫算法的亮度和吸引度概念对小簇进行组合优化生成最佳的小簇组合。小簇的核心点亮度由三个条件决定：剩余电量、单跳范围内覆盖的节点数量、非重复覆盖的节点数量。在充分考虑上述三个条件的基础上生成的小簇组合能够保证用最少的小簇覆盖所有等待数据收集的节点；并且簇头剩余电量多，能够承担起收集簇内节点采集的数据的任务。最终实现缩小移动sink访问规模、缩短数据传输时延的目标。

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，特别是一种基于移动sink在无线传感网中进行数据收集为前提，对无线传感网中的节点进行分簇的方法。

背景技术

无线传感网络是由大量的微型计算装置——传感器节点组成的，每个传感器节点的资源是有限的，例如，有限的数据存储能力、一定距离内的无线传输和有限的电池能量。根据应用环境的不同，节点配置相应的传感器来监测需要的参数(温度、湿度、气压等)并且将监测到的数据以单跳或者多跳的方式传送给特定的装置。在传统无线传感网中，sink位置固定，当节点采用多跳或者单跳的方式传送数据给sink时，靠近sink的传感器节点将消耗更多的能量。因为它们不仅要传送自己的数据，还要成为邻接节点的中继节点，传送邻接节点的数据。这些节点能量过早耗尽将导致sink被孤立、网络不能再运行。这是无线传感网中常见的hot-spot问题。

为了解决这一问题，引入了移动sink的概念。移动sink直接和传感器节点通信，单跳地收集节点数据，避免了多跳通信造成的节点能量消耗不均衡的问题。这样不仅可以均衡无线传感网络中节点的能量消耗，延长网络的生存时间，还可以与网络中孤立的节点通信并收集到它们采集的数据。缺点是需要增加额外的开销用于规划移动sink的访问路径并且数据传输时延非常大。

利用移动sink在无线传感网中进行数据收集将面临数据传输时延加剧的问题。因为移动sink是移动到每个节点的单跳传输距离内，直接收集每个节点存储的数据。不仅sink从一个节点移动到下一个节点需要耗费时间，而且移动sink在节点处停留收集数据也要耗费时间。在移动sink到来前，节点只能等待。所以数据传输时延主要由移动sink行进过程花费的时间和移动sink在停留点收集数据花费的时间组成。移动sink的运动速度、访问路径和在节点处的停留时间直接影响数据传输时延程度。例如，移动sink的运动速度慢将导致更多的时间花费在移动sink行进过程中，节点需等待更长的时间才能将数据传输给sink，时延也就相应增加了。同理，访问路径的设计也将影响移动sink在行进过程中花费的时间，优化访问路径将缩短数据传输时延。

发明内容

本发明提供了一种基于移动sink的无线传感网分簇方法，将节点和节点之间欧式距离小于预设扫描半径Eps的节点聚集成簇，由簇头节点收集簇内节点的数据，移动sink只需访问簇头节点即可完成对整个簇的数据收集，减少了移动sink的访问规模，降低数据传输时延。并且簇的大小控制在单跳传输距离内，避免多跳传输引起的hot-spot问题，延长网络的生存时间。利用上述方法本发明达到了网络生存时间和数据传输时延的折衷。

一种基于移动sink的无线传感网分簇方法具体包含如下步骤：

步骤1，所有存储的数据量达到阈值的节点向基站发出数据收集请求，基站获取到这些节点的坐标；

步骤2，基站利用DBSCAN算法进行空间上的初步分簇；DBSCAN算法有2个预设参数：扫描半径Eps＝单跳传输距离，最小包含节点数MinPts＝3；由算法生成若干大簇，每个大簇由有限个小簇组成。