专利名称：基于流量的无线传感网自适应簇调整方法
技术领域：
本发明提供一种无线传感网的基于流量的分簇调整方法，属于无线传感网的拓扑管理领域。
背景技术：
无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉 的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管 理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值 和巨大实用价值，己经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以 来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，它将会对人 类未来的生活方式产生深远影响。
在无线传感器网络的研究中，如何延长网络的生存时间(lifetime)是最重要的问题之一。对于拥 有大量节点的器无线传感网络，分簇的拓扑结构在网络管理和可扩展性上具有较多的优势。在这种网 络结构中，簇头(ClusterHead, CH)承担簇内的数据收集与处理工作，收集的数据通过簇头间的多跳 路由方式发送至SINK节点。在这种"多对一"的网络结构中，近SINK的节点负载远远高于远SINK 节点，可能会导致严重的网络拥塞，同时，高负载意味着高能耗，即存在所谓的"热区(hot spot)", 节点将过早消耗完能量而导致网络分裂，从而降低整个网络的生存时间。
近年来，研究者开始通过构造非均匀的簇结构来寻求网络的负载平衡。Sora等人首次提出采用非 均匀分簇来平衡负载，文中假设网络为两层同心圆环，通过减少内层簇的成员数来减少簇内通信能耗， 以更多的承担簇间数据转发任务，他们研究的是异构网络且簇头节点位置预设。Shu等人利用功率控 制来构建非均匀分簇结构，越靠近SINK的簇头发射功率越小，以此来平衡簇头能耗，这种算法是集 中式处理算法，要求节点位置已知，分布均匀，而且生成的网络链路不对称。
对于节点随机分布的大规模的无线传感网络，节点位置一般不易获得，而数据收集节点(SINK) 不一定是固定不变的，这就使得网络中各节点负担的数据流量情况复杂多变，难以预先估计，建立符 合实际的流量模型比较困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于流量的无线传感器网络自适应簇调整方法。本发明针对现有的技术问题，采用如下技术方案
A. 建立均匀的分簇结构的网络拓扑，簇内维持周期性休眠/唤醒调度；
B. 在网络正常工作阶段，簇头节点记录自己的历史流量信息与邻居簇头的流量信息，作为当前 流量的参考；
C. 簇头依据负载的流量变化自适应的作簇调整，包括改变簇间通信时间的占空比及改变局部区 域的簇头密度等；
作为本发明的一个优选方法，A中所述的分簇拓扑建立可采用分布式分簇方法，包括如下步骤
al.信道侦听线程；节点初始化后，持续侦听信道一定时间，若接收到簇头消息，则转入a3，启
动入网线程，若接收到其他节点的信息(如Hello消息)，则更新自身邻居表；
a2.信息交互线程节点间通过周期性的Hello消息交互自身信息，并以此为依据竞争簇头；
a3.节点入网线程；未竞争成功的节点向其邻居簇头发送入网申请以完成分簇组网过程。
B部分包括如下步骤
bl.记录自身历史流量信息；簇头节点存储最近n个周期的数据转发流量，作为评估自身流量的 参考，计算簇头的流量评估值7^;
b2.获取对区域流量的评估；簇头节点与邻居簇头交互自身的流量评估值7^,获取区域流量
信息r一"；
b3.流量变化的评估。判断是否出现明显的流量变化，包括自身流量与区域流量两部分，流量变化 的判断方式有两种， 一种是绝对值， 一种是变化幅度。节点负担的流量超过/降低至某一预设阈值， 或者流量的短时(一般为几个超帧周期)变化值达到预设条件，则启动簇调整过程。 C部分包括下述步骤-
Cl.簇调整进程。簇调整包括簇头的簇间通信时间占空比调整与区域簇头密度调整两部分簇头
的簇间通信时间占空比调整方法应用于流量变化较小的情况下，若流量变化较大或区域节点流量
均有较大增加，则启动局部区域簇头密度调整进程；
c2.局部区域簇头密度调整进程。通过调整簇规模(簇内节点数目)来调整簇的数量，以分担增 加的数据流量；
本发明在分析网络负载的基础上，提出一种流量自适应的负载平衡的分簇方法，它依据各簇头节 点在实际工作中负担的网络流量，调整局部区域的簇头数量，以此获得较好的簇头负载平衡，缓解网 络"热区"问题。本方法对网络的流量和能量做了较好的平衡，延长了网络生存时间。
图1为网络分布式分簇组网过程的流程图，其中的图1 (a)为信道侦听线程流程图，图1 (b)为 节点消息交互确定簇状态线程流程图，图l (c)为PreCM启动登记入网线程流程图。 图2为基于流量的分簇调整的步骤示意图。 图3为局部R域簇调整流程图。
具体实施方法
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的实现步骤可描述如下
A. 分布式分簇组网。在分簇的网络拓扑结构中，存在两种节点簇头(ClusterHead, CH)与簇 成员(ClusterMember， CM)。在网络初始化时，网络中所有节点的身份是未确定的(Undefined, UN)， 以此启动确定节点身份进程。在本发明中，提供一种基于多权值优化的簇头选举方法，且在分簇结束 后形成基亍超帧周期的簇内调度。包括下述几个线程。
a. 信道侦听线程。UN节点持续侦听信道个超帧周期，若接收到邻居节点的HELLO消息，
则更新邻居表，计算权值，如果接收到邻居CH节点的BEACON帧，则侦听结束后设置自身 簇状态为PreCM,否则设置簇状态UN，并启动消息交互线程；
b. 消息交互线程。该线程持续/^^个超帧周期。节点以时间间隔7^,。周期性的发送包含G身权 值的HELLO消息，若接收到邻居节点的HELLO消息，更新邻居表，更新权值，更新节点身 份(若权值最小则为CH，否则为PreCM)，在线程结束时，身份为CH的节点开始广播BEACON 帧，作为节点入网邀请；
c. 节点入网线程。在该线程中，PreCM节点持续侦听1个超帧周期，建立CH表，在下一个超 帧开始向最佳的CH节点发起加入申请，若接收到加入确认消息则节点身份置为CM,完成入 网线程，否则尝试其他CH，若无CH可加入，置节点身份为CH，开始广播BEACON帧。
其流程如图1所示。
B. 流量信息记录与评估。
bl.记录tl身历史流幫信息；簇头节点存储最近n个周期的数据转发流輦，作为评估G身流量的
参考，在本发明中，以简单相加取平均值的方法为例，计算簇头的流量评估值
b2.获取对区域流量的评估；簇头节点在簇间广播自身的流量评估值',若邻居簇头存在类 似的变化，则同样广播Q身流量评估值，从而使簇头节点获取区域流量信息b3.若仅有节点本身流量变化，则在本簇内启动簇调整进程，包括簇间通信时间占空比调整与簇分 裂两种方法；若局部区域均存在类似流量变化，则在区域内启动簇头密度调整进程。 C.簇调整进程。包括单簇与局部区域两种。 cl.单簇内调整；
1) 若流量变化较小，则簇头调整簇内超帧调度，改变簇间通信时间占空比；
2) 流量变化较大，执行簇分裂进程；簇头指定一个簇成员为新的簇头，并将自身簇规模减少 一半，簇成员重新执行入网进程。
c2.局部区域簇头密度调整；
1) 簇头依据当前流量评估值与预设流量值的差异改变簇内通信功率，并在簇间及簇内广播簇 调整消息，在该消息中包含改后的簇内通信功率值；
2) 接收到簇调整消息的簇头节点在簇内转发改消息，通知簇内节点，并改变自身簇内通信功 率；接收到簇调整消息的簇成员节点变为未定状态，重新竞争成簇；
2)未定状态的节点以新的簇内通信功率侦听信道1个周期，若节点接收到簇头的BEACON 帧，则启动入网进程，否则，成为新的簇头节点，开始广播BEACON帧，建立自己的簇内调度。 其流程如图3所示。
以上描述的仅是本发明的一个最佳实施例，本发明的保护范围并非局限于上述具体实施例，凡本 领域技术人员根据本发明所做出的显而易见的改动均落在本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种基于流量的无线传感器网络自适应簇调整方法，其特征在于它包括如下部分A.建立均匀的分簇结构的网络拓扑，簇内维持周期性休眠/唤醒调度；B.在网络正常工作阶段，簇头节点记录自己的历史流量信息与邻居簇头的流量信息，作为当前流量的参考；C.簇头依据负载的流量变化自适应的作簇调整，包括改变簇间通信时间的占空比及改变局部区域的簇头密度等；
2、 如权利要求1所述的基于流量的无线传感器网络自适应簇调整方法，其特征在于A部分包括如 下步骤al.信道侦听线程；节点初始化后，持续侦听信道一定时间，若接收到簇头消息，则转入a3，启 动入网线程，若接收到其他节点的信息，则更新自身邻居表；a2.信息交互线程节点间通过周期性的Hello消息交互自身信息，并以此为依据竞争簇头； a3.节点入网线程；未竞争成功的节点向其邻居簇头发送入网申请以完成分簇组网过程。
3、 如权利要求1所述的基于流量的无线传感器网络自适应簇调整方法，其特征在于B部分包括如 下步骤bl.记录自身历史流量信息；簇头节点存储最近n个周期的数据转发流量，作为评估自身流量的参考，计算簇头的流量评估值r^;b2.获取对区域流量的评估；簇头节点与邻居簇头交互自身的流量评估值7^,获取区域流量仏息7"^g,'ort ，b3.流量变化的评估。判断是否出现明显的流量变化，包括自身流量与区域流量两部分，流量变化 的判断方式有两种， 一种是绝对值， 一种是变化幅度。节点负担的流量超过/降低至某一预设阈值，或 者流量的短时(一般为几个超帧周期)变化值达到预设条件，则启动簇调整过程。
4、 如权利要求1所述的基于流量的无线传感器网络自适应簇调整方法，其特征在于C部分包括下 述步骤cl.簇调整进程，簇调整包括簇头的簇间通信时间占空比调整与区域簇头密度调整两部分簇头 的簇间通信时间占空比调整方法应用于流量变化较小的情况下，若流量变化较大或区域节点流量均有 较大增加，则启动局部区域簇头密度调整进程；c2.局部区域簇头密度调整进程，通过调整簇规模(簇内节点数目)来调整簇的数量，以分担增 加的数据流量。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感网的分布式的、基于流量的自适应簇调整方法。在分簇的网络正常运行过程中，簇头节点依据自身负担的网络流量自适应地调整簇规模，负载高时增加簇头密度，负载低时降低簇头密度，以获得较好的簇头负载平衡，缓解网络“热区”问题，延长网络生存时间。
文档编号H04L12/56GK101286933SQ200810060050
公开日2008年10月15日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者刘海涛, 姚道远, 杰 沈, 奎 马, 黄河清 申请人:中科院嘉兴中心微系统所分中心