一种无线传感器网络传递信息的方法
【专利摘要】本发明涉及一种无线传感器网络传递信息的方法。本发明将感知区域设计成网格结构，每一个网格单元只有一个簇头节点，簇头节点负责跟相邻网格单元内的簇头节点通信，移动汇聚节点会选择最近网格单元内的簇头节点进行通信；每一个网格单元内的簇头节点轮换是根据剩余能量和到网格单元中心的距离决定的，通过选取剩余能量最高的节点作为簇头节点；感知区域的外围部署了两个移动汇聚节点。本发明克服了目前因能量消耗较快而容易出现能量洞，降低无线传感器网络的生命周期等缺陷。本发明减少了汇聚节点向网络广播位置的流量负载，避免了能量空洞现象，避免了额外能量消耗，减少了节点数据的传输跳数，延长了网络的使用寿命。
【专利说明】
一种无线传感器网络传递信息的方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络传递信息的 方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络通常是由大量微小而且低成本的传感器组成，传感器节点通过单 跳或者多跳的方式向汇聚节点发送收集过来的信息。这些传感器节点本身具有计算能力、 存储能力和通信能力。无线传感器网络的应用十分广泛，比如说，环境监测，智能家居，智能 医疗等等。但由于应用环境的特殊性，很难为每个无线传感器更换电池，所以无线传感器网 络的生命周期会受到能量的限制。如何利用每个传感器节点有限的能量资源并采用一种高 效数据传递方法，使能量消耗和能量负载达到平衡成为一个重要的研究课题。
[0003] 在本发明作出之前，目前典型的无线传感器网络包括密集部署的静态传感器节点 和一个静态的汇聚节点。靠近汇静态聚节点的无线传感器节点负担着较重的数据流量，因 能量消耗较快而容易出现能量洞，大大降低了无线传感器网络的生命周期。所以，在传统的 路由协议中，为减少能量消耗，通过减少信息传播的跳数和数据量成为首选策略，但是仍然 避免不了靠近静态汇聚节点的传感器节点出现能量消耗较快的现象。移动的汇聚节点的策 略，虽然这样移动的汇聚节点附近的传感器节点会随着时间变化而变化，在某种程度上平 衡了整个无线传感器网络的能量消耗，但是仍然存在着在大规模的网络环境中单移动汇聚 节点的策略会带严重的网络时延的问题。同时由于汇聚节点的频繁移动，为了保证节点可 靠的数据传输，节点路由必须进行频繁重构，频繁的路由重构必将带来额外的能量开销，严 重影响了网络的使用寿命，这也是与能量高效的路由协议是背道而驰的。所以减少由于汇 聚节点的移动带来的频繁路由重构，对延长传感器网络的生命周期有着重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述缺陷，研制一种在无线传感器网络传递信息的方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种无线传感器网络传递信息的方法，其主要技术特征在于将感知区域设计成网 格结构，每一个网格单元只有一个簇头节点，簇头节点负责跟相邻网格单元内的簇头节点 通信，移动汇聚节点会选择最近网格单元内的簇头节点进行通信;每一个网格单元内的簇 头节点轮换是根据剩余能量和到网格单元中心的距离决定的，通过选取剩余能量最高的节 点作为簇头节点;感知区域的外围部署了两个移动汇聚节点。
[0007] 所述的汇聚节点只需要向网格内的簇头节点广播自己的位置信息。
[0008] 所述将每个网格单元内拥有最高剩余能量的传感器节点且靠近单元中心位置作 为簇头节点。
[0009] 所述进行簇头节点的轮换只发生在满足条件的网格单元内，并不是每轮数据收集 后都要进行簇头的重新选取，通过设置了一个能量阈值，如果当前簇头节点的剩余能量小 于这个能量阈值时，那么就重新选取该网格单元内的簇头节点。
[0010] 所述各网格单元内的成员节点向各自簇头发送数据时，选择直接通信或者通过中 继节点选择能量消耗最小的路由向簇头发送数据。
[0011] 所述在感知区域外围部署两个移动汇聚节点，沿着感知区域外围顺时针或者逆时 针的方向移动，分别与靠近自己最近的簇头节点直接通信。
[0012] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于，（1)通过构造虚拟网格结构以及设置簇 头节点，大大减少了汇聚节点向网络广播位置的流量负载；（2)通过采用簇头节点的轮换机 制，避免了能量空洞现象；（3)通过设定能量阈值，特定了网格单元进行簇头的轮换，避免了 大量网络单元内路由重构带来的额外能量消耗；（4)移动汇聚节点的采用，减少了节点数据 的传输跳数，通过特定的路由规则避免了由于汇聚节点的移动带来的大量路由重构，从而 大大节省了节点的能量消耗，延长了网络的使用寿命。
【附图说明】
[0013] 图1一一本发明的一个无线传感器网络示意图。
[0014]图2--本发明中初始路由不意图。
[0015] 图3-一本发明中汇聚节点移动后部分簇头节点路由重构示意图。
[0016] 图4--本发明中族头节点路由重构流程不意图。
【具体实施方式】
[0017] 容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域 的一般技术人员可以想象出本发在无线传感器网络传递信息的多种实施方式。因此，以下
【具体实施方式】和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部 或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
[0018] 本发明的技术思路是：
[0019] 将感知区域设计成网格结构，每一个网格单元只有一个簇头节点，簇头节点负责 跟相邻网格单元内的簇头节点通信，移动汇聚节点会选择最近网格单元内的簇头节点进行 通信。每一个网格单元内的簇头节点是根据剩余能量和到网格单元中心的距离决定的，通 过选取剩余能量最高的节点作为簇头节点。感知区域的外围部署了两个移动汇聚节点，目 的在于减少节点传输数据的跳数，这样不仅缓解了传递信息的时延问题，而且减少了节点 需要转发的数据量，从而大大减少了节点的能量消耗，通过特定的路由规则，避免了大量路 由重构带来的额外能量消耗。
[0020] 下面具体说明本发明。
[0021] 如图1所示，无线传感器网络包括由各实心圆点表示的无线传感器节点，无线传感 器网络的感知区域为一个矩形，将矩形的感知区域构造成如图所示的网格结构，每一个网 格单元内有一个簇头节点，用小三角表示，感知区域的外围有两个移动的汇聚节点，用五角 星表示。
[0022] 构造虚拟网格结构
[0023] 网格结构地构造是根据感知区域内传感器节点的数量决定的，将感知区域分成统 一大小的单元格。例如，感知区域内有N个传感器节点，就能将感知区域分成K个大小统一的 单元格，其中认为所有传感器节点中只有5%的节点能够作为簇头节点，当N= (100,200， 300)时，计算公式如下：
[0024]
[0025]初始簇头选取
[0026] 每一个单元格初始阶段，将最靠近单元格中心的节点作为簇头节点。为了减少选 取簇头节点时的能量开销，只让靠近单元格中心的节点参与到簇头节点的选取。通过设置 一个到单元格中心的距离阈值，小于这个距离阈值内的节点能够参与到簇头节点的选取， 如果在这个距离阈值内没有发现节点，便动态的调整这个距离阈值直至发现传感器节点。 通过这种方法既能够节省节点的能量，又能够保证簇头节点处在单元格的最佳位置。
[0027] 初始路由
[0028] 当每个单元的初始簇头选定后，簇头节点不仅向单元格内的节点通知自身的状 态，还要通知单元格边缘的节点。这样一些节点就会收到不止一个簇头节点发来的通知信 息，簇头节点就能够利用网关节点将邻居簇头节点构造成一个虚拟骨干结构。
[0029] 移动汇聚节点跟靠近自身最近的簇头节点直接通信，并由该簇头节点通知其他簇 头节点汇聚节点的位置，所有的簇头节点调整自身路由向着汇聚节点的初始位置，建立初 始路由，如图2所示。
[0030] 动态路由调整
[0031] 为了解决由于汇聚节点地移动产生动态的网络拓扑结构变化，节点需要根据最新 的汇聚节点的位置更新它们的数据传输路由，向整个网络洪泛路由广播汇聚节点的位置信 息，这样做跟节省节点的能量是背道而驰的。
[0032] 为了避免这一问题，该发明只有部分簇头节点需要更新路由信息。采用两个移动 汇聚节点，按照顺时针或者逆时针的方向在感知区域外围移动，能够减少节点流量负载，缓 解数据收集时延问题。
[0033] 汇聚节点地移动带来部分簇头节点的路由重构，如图3所示。部分簇头节点的路由 重构需要遵循下述特定的路由规则：
[0034] 规则1:将能够发现汇聚节点最靠近边界的簇头节点看做起始簇头节点。起始簇头 节点根据汇聚节点的位置，首先验证它的下一跳是否已经是汇聚节点。如果汇聚节点就是 起始簇头节点之前的下一跳，那么起始汇聚节点不传播汇聚节点的位置更新信息。如果不 是，遵循规则2.
[0035]规则2:起始簇头节点将汇聚节点作为自己的下一跳，并将这个信息发送给之前的 起始汇聚节点和它的下游邻居簇头节点。
[0036]规则3:之前的起始簇头汇聚节点一旦收到由当前起始簇头节点发来的汇聚节点 位置更新信息，调整它的数据传输路由，将当前的起始簇头节点作为自己的下一跳。
[0037]规则4:下游簇头节点一旦收到汇聚节点的位置更新信息，检查信息发送单元是否 和之前的下一跳相同。如果相同，下游的簇头节点就将汇聚节点的位置更新数据包丢掉，不 再传播给下一个下游簇头节点。如果不相同，下游汇聚节点更新它的数据传输路由，将信息 发送单元作为自己的下一跳，并将汇聚节点的位置更新信息传播给下一个下游汇聚节点， 成为新的发送单元，该过程直至所有下游簇头节点调整自己的数据传输路由。
[0038]如图4所示，就是整个簇头节点路由重构的过程。
[0039]簇头轮换
[0040] 每轮数据收集后，所有簇头节点的剩余能量都要和给定的一个能量阈值进行比 较，如果簇头的剩余能量低于给定的能量阈值，那么该网格单元内的簇头要重新选择，选取 剩余能量最高的而且最靠近单元格中心的节点作为新的簇头节点。这样每个单元格就不需 要频繁的进行簇头的选择，只有特定的网格单元内才会进行路由重构，大大减少了在这一 方面给的能量的开销。同时，簇头轮换的机制，也有效的避免了热节点的现象，在延长网络 的生命周期有着显著的效果。
[0041] 较佳地，所述的网格结构能够大大减少汇聚节点向网络广播位置信息的数据量。 [0042]较佳地，将每个网格单元内拥有最高剩余能量且最靠近单元格中心位置的传感器 节点作为簇头节点。
[0043] 较佳地，进行簇头节点的轮换时，并不是每轮数据收集后都要进行簇头的重新选 取，通过设置了一个能量阈值，如果当前簇头节点的剩余能量小于这个能量阈值时，那么就 重新选取该网格单元内的簇头节点，所以簇头节点的轮换只发生在满足条件的网格单元 内。
[0044] 较佳地，各网格单元内的成员节点向各自簇头发送数据时，选择直接通信或者通 过中继节点选择能量消耗最小的路由向簇头发送数据。
[0045] 较佳地，在感知区域外围部署两个移动汇聚节点，能够减少节点传输数据的跳数， 这样不仅缓解了传递信息的时延问题，而且减少了节点需要转发的数据量。通过特定的路 由规则，避免了大量路由重构带来的额外能量消耗。
【主权项】
1. 一种无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于将感知区域设计成网格结构，每 一个网格单元只有一个簇头节点，簇头节点负责跟相邻网格单元内的簇头节点通信，移动 汇聚节点会选择最近网格单元内的簇头节点进行通信;每一个网格单元内的簇头节点轮换 是根据剩余能量和到网格单元中心的距离决定的，通过选取剩余能量最高的节点作为簇头 节点;感知区域的外围部署了两个移动汇聚节点。2. 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于所述的汇 聚节点只需要向网格内的簇头节点广播自己的位置信息。3. 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于将每个网 格单元内拥有最高剩余能量的传感器节点且靠近单元中心位置作为簇头节点。4. 根据权利要求3所述的一种无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于进行簇头 节点的轮换只发生在满足条件的网格单元内，并不是每轮数据收集后都要进行簇头的重新 选取，通过设置了一个能量阈值，如果当前簇头节点的剩余能量小于这个能量阈值时，那么 就重新选取该网格单元内的簇头节点。5. 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于各网格单 元内的成员节点向各自簇头发送数据时，选择直接通信或者通过中继节点选择能量消耗最 小的路由向簇头发送数据。6. 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络传递信息的方法，其特征在于在感知区 域外围部署两个移动汇聚节点，沿着感知区域外围顺时针或者逆时针的方向移动，分别与 靠近自己最近的簇头节点直接通信。
【文档编号】H04W84/18GK105898822SQ201610355400
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】王进, 曹佳溢, 曹溢泉, 孙小兵, 李斌
【申请人】扬州大学