[发明专利]无线移动节点的随机集中式自组织分簇方法与系统

说明书

本发明提供一种无线移动节点的随机集中式自组织分簇方法与系统，方法包括以下步骤：第一网络各节点随机竞争分簇发起者角色，发起者集中收集其他节点的适应度，由发起者根据适应度选择簇头；簇头向其他节点发送分配角色的PDU，收到分配角色的PDU的节点设为簇成员，并将簇成员的活性设为预设最大值；通过周期性的双向心跳包动态维护簇头与簇成员之间簇关系的活性；若网络各节点不属于或已脱离任何分簇时，当监听到其他分簇簇头发送的用于簇关系维护的心跳包，直接申请加入该分簇，收到簇头认可后成为簇成员。该方法可有效提高簇头选择的优化程度，降低分簇过程的能耗、带宽开销。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线移动节点的随机集中式自组织分簇方法与系统。

背景技术

无线自组织网络(Ad Hoc Networks)、无线传感网(WSN，Wireless SensorNetworks)等相关技术广泛应用于环境监测、信息采集、移动监控、灾害救援、战地通信等场景，通常部署于人工难以触及的恶劣或野外环境。此类环境下，无线网络节点与基站的距离往往较远，因此直接通信的能耗较大，将直接影响网络的生存时间。针对这一问题，常需要对无线自组织网络/传感网进行自主分簇(clustering)，形成层次化的逻辑网络拓扑结构，各分簇选举一个节点作为簇头(cluster head)，汇聚本簇内各节点采集的数据后再与基站进行通信，而簇内节点只与簇头通信。一般而言，簇内通信距离远小于与基站直接通信的距离，因此层次化的分簇对于野外环境下网络生存时间的延续、能量使用效率的提升均有重要意义。LEACH，是典型的自组织分簇方法，采用分布式算法自适应、多轮次地选择簇头并构建分簇，以平均分布能耗，近年来，学术界对LEACH进行了从集中式簇头选举、多跳通信、移动性支持等多个维度对其进行改进、补充、优化，现常用的几种LEACH类分簇方法如下：

LEACH，主要应用于WSN的分布式分簇方法，各节点周期性地自主生成随机数，若小于阈值，则自我选举为簇头，并通过CSMA广播，通知其他节点加入，收到加入请求后形成分簇；LEACH以多轮形式进行簇头选举，因此簇头身份可在所有节点之间进行轮转，从而均匀分布能耗。

LEACH-C，是一种集中式的LEACH变体，利用基站BS(Base Station)进行集中式簇头选择，而不采用LEACH纯分布式的簇头自我选举。各节点向基站通告自己的能量水平和当前位置，通过计算平均能量水平，若节点能量水平小于该平均值，那么失去了成为簇头的基本条件，簇头只在高于平均值的节点中选择产生。此外，由于无线通信模型中，通信的能耗往往与距离的平方成正比，为了降低网络总体能耗，通过模拟退火算法来找到多个簇头，使得网络中节点与簇头的总体平方距离最小。簇头选择成功后，由基站负责通告各个节点各自的簇头或簇成员身份。

DMH-LEACH(Dynamic Multi-Hop LEACH)，其试图利用多跳通信改进LEACH，减少高能耗的远距离CH-BS(簇头-基站)单跳通信。DMH-LEACH利用节点的移动性解决多跳通信下能耗不均的问题，让具有更高移动性的节点有更高的概率被选为簇头，那么这样的节点就有可能此轮接近基站，而下一轮可能离基站较远，反之亦然，从而达到能耗在各节点间较为均匀的分布。在选择簇头的时候，引入了移动性因子，移动性越高，其值越小，并与各节点自主生成的随机值相乘，造成随机值更小，使得移动性高的节点具有更高的概率被选为簇头。

基于模糊逻辑的LEACH，该方案总体思路是从所有簇头中选择一个超级簇头(super cluster head，SCH)，代表各个簇头与基站通信。在选择SCH的过程中，基本框架同LEACH一致，主要考虑了剩余电量、移动能力、中心度等指标，并用模糊逻辑(Fuzzy Logic)方法进行了综合考虑，然后得到各簇头被选举为SCH的概率，

CEECR(centralized energy-efficient clustering routing protocol formobile nodes)，其为对LEACH的改进，在进行簇头选择和分簇时增加了节点移动性对能耗影响的考虑。