[发明专利]一种动态k值分簇路由方法

摘要

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。

主权项

1.一种动态k值分簇路由方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在监测区域部署基站和传感器节点，传感器节点开始工作并自组织形成无线传感器网络；步骤2，网络中的所有节点向基站发送包括自身位置和剩余能量信息的数据包；基站收集到所有节点的数据包后，计算当前网络中存活节点的剩余能量平均值Eaverage，并选择节点剩余能量高于Eaverage的节点作为候选簇头，生成候选簇头集合；步骤3，基站求解最佳分簇方式，同时计算网络有效k值NK，并将这些分簇信息广播；步骤4，网络中的节点接收到基站广播的分簇信息包后，查找自身所在簇的簇头ID；如果自身ID与所在簇的簇头ID相同，则节点自身当选为簇头，同时节点根据簇头ID遍历分簇信息包，收集簇内所有成员节点的ID信息；如果节点收到分簇信息包后发现自身为普通节点，那么节点进入等待状态，直到收到所在簇的簇头广播消息报文，其中包含簇内各节点的分配时隙，簇内节点从消息报文中获取自身发送数据的时隙；步骤5，进入数据传输的稳定阶段，簇内节点在指定时隙发送自身收集的数据信息给所在簇的簇头，簇头收到所有成员节点发来的数据信息后，将数据进行融合并转发给基站，稳定阶段结束后转步骤6；步骤6，网络已完成一个周期的第1轮，随后进入局部选簇流程，即在接下来的NK轮将保持分簇结构不变，只在每个簇内进行簇头更新；局部选簇结束后转步骤7；步骤7，判断网络中节点是否全部死亡，是则结束当前流程，否则转步骤2；所述的网络有效k值的计算方法如下：假设第1轮选簇完成后网络中有m个簇，簇的编号分别为C₁、C₂、…、C_m，每个簇中的节点个数分别为N₁、N₂、...、N_m，簇头节点编号分别为CH₁、CH₂、...、CH_m，对于第i个簇，簇中N_i个节点的编号分别为C_i1、C_i2、…、 ，为了计算网络有效k值，引入“平行簇头”、“簇内有效k值”和“网络有效k值”的概念；依据公式(1)计算节点担任簇头的能力；其中C_ij表示第i个簇中编号为j的节点，T(C_ij)表示节点C_ij的能力权值，E(C_ij)表示节点的剩余能量，表示节点到基站的距离，表示节点到簇内其他节点距离的平方和，p为平衡因子，同时有：其中表示第i个簇中编号为j的节点到编号为h的节点的距离；平衡因子p用来调节节点到基站距离与节点在簇中位置对节点担任簇头的影响，p的值介于0到1之间；定义1.平行簇头：如果节点Cij的能力权值大于或等于所在簇的簇头CHi的能力权值T(CHi)，则该节点为簇的平行簇头，即有T(Cij)≥T(CHi)；定义2.簇内有效k值：网络中单个簇可以进行局部簇头更新的次数称为该簇的簇内有效k值k(Ci)，如果簇Ci的平行簇头个数为z，那么有k(Ci)＝z；依据定义1找出网络中每个簇的平行簇头，现假设簇Ci的平行簇头个数为z，那么簇Ci可以进行局部簇头更新的次数为z，将一个簇可以进行局部簇头更新的次数作为该簇的簇内有效k值；当簇头是簇中能力权值最大的节点时，z的值为0；在计算簇内有效k值时设置了一个下限值x，改进的簇内有效k值计算方法如下：k(Ci)＝max{x,z}(2≤x≤5)   (3)其中下限值x取2到5之间的随机整数；定义3.网络有效k值：网络中一个周期内所有簇进行簇头更新的次数，记为NK；通过公式(3)求出网络中每个簇的簇内有效k值，将簇内所有节点到基站距离的平均值作为簇到基站的距离，将簇到基站的距离与网络中簇到基站距离最大值的比值平方，作为簇内有效k值相对于网络有效k值的权重因子；簇到基站距离的计算方法如公式(4)所示；其中表示节点C_ij到基站的距离；簇Ci权重因子的计算方法如公式(5)所示；其中D(Ci)表示簇Ci到基站的距离，Dmax表示网络中簇到基站距离的最大值；结合公式(3)、(4)和(5)，推导出网络有效k值的计算公式如下：其中WF(Ci)表示簇Ci的权重因子，k(Ci)表示簇Ci的簇内有效k值。