一种基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发方法
【专利摘要】本发明公开一种无线传感器网络中基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发策略设计方法。由于现有基于均匀分簇技术的数据转发策略中，簇头节点组成的骨干网络实现多跳路由带来了一个能量消耗不均衡问题，即靠近基站的簇头节点由于转发大量数据而负载过重，过早耗尽能量而失效，导致网络分割，缩短了网络存活时间。因此，本发明在梯度模型上运行簇机制，通过非均匀成簇和基于节点能量、非簇头节点数目、节点相对位置的低梯度关键节点的动态选择，以提高簇间通信的能量有效性为目标完成数据转发。本发明所提出的设计方法能够在均衡节点间能量消耗的同时，降低网络能量开销，达到了提升网络资源利用率及最大化网络存活时间的目的。
【专利说明】一种基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络数据转发技术，特别涉及基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发方法。
【背景技术】
[0002]区别于传统无线网络的数据转发策略，无线传感器网络数据转发策略的设计主要考虑节点的能量有效性，数据的冗余性以及数据传输的能量消耗等方面，需要根据不同的应用需求设计相应的数据转发策略。无线传感器网络中传感节点通常采用电池供电且不可充电，随着网络的运行，部分传感节点会耗尽电池能量，使得网络处于非连通状态，导致网络数据传输中断，因此，数据转发策略是无线传感器网络的关键技术之一，合理高效的数据转发策略设计能够提高网络整体性能。
[0003]近年来，研究人员发现在无线传感器网络数据转发策略中引入分簇机制可以明显降低每个传感节点的能量消耗，且在很大程度上降低低能量节点对于数据转发的影响，提高网络存活时间。考虑到传感节点的能量有效性，无线传感器网络广泛采用非均匀分簇机制解决簇间多跳通信产生的能量不均衡消耗问题，其核心思想是利用非均匀的竞争范围来构造大小不等的簇，使得靠近汇聚节点的簇的簇成员节点数目较少，从而能够节省更多能量以供簇间数据转发使用。但是现有采用非均匀分簇机制的数据转发策略主要目的是延长网络存活时间，没有考虑如何均衡不同簇头间的能量消耗问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:大部分基于非均匀分簇的无线传感器网络数据转发方法未考虑簇头选择优化和簇间多跳通信的能量有效性问题，选取簇头时没有考虑节点间距离，簇头在簇内位置不确定，当簇的范围较大时，簇内节点与簇头间的距离相差较大，距离簇头较远的节点与簇头通信能耗较大，造成簇内节点能耗不均衡；簇间数据转发时没有考虑节点间的距离以及非簇头节点的数目，由于节点间通信的能耗与信号传输的距离成比例，当节点间距离较大时，增加了节点间的通信能耗。针对这些问题，本发明提出一种基于梯度模型的能量有效非均匀分簇数据转发方法，能够在保障可靠数据传输的同时，均衡网络中节点的能量消耗，降低网络能量开销，达到提升网络资源利用率及延长网络存活时间的目的。
[0005]本发明解决上述问题的技术方案是:在梯度模型上运行簇机制，通过非均匀成簇和节点能量、非簇头节点数目、节点相对位置的低梯度关键节点的动态选择，提高簇间通信的能量有效性为目标完成数据转发。具体方法如下:
[0006]一种基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发方法，网络中的节点根据各自的梯度值计算簇半径，根据节点剩余能量以及簇头与非簇头节点的相对位置选取簇头；基于节点剩余能量、非簇头节点数目、节点间相对位置的低梯度关键节点动态选取下一跳中继节点；非簇头节点周期性传播数据给簇头节点，簇头节点将其聚合成一个单一的固定长度的数据包，根据成本代价函数在下一跳节点集合中选择成本代价函数最小的中继节点进行数据转发。
[0007]所述节点的梯度值的确定具体包括:将汇聚节点的梯度值MHsink设置为0，其它节点的梯度值MHi设置为无穷大；汇聚节点广播含有一个值为O的跳数计数器HC的初始化消息，其它节点根据接收消息强度最大的初始化消息将其梯度值设置为该消息HC的值加1，更新能量信息，并将消息HC的值用该节点新的梯度值替代，重传该初始化消息给所有的邻居节点，直到所有节点至少一次根据收到的初始化消息设置它们新的梯度值。节点根据各自的梯度值计算簇半径具体包括:根据公式
【权利要求】
1.一种基于梯度的能量有效非均匀分簇数据转发方法，其特征在于，网络中的节点根据各自的梯度值计算簇半径，根据节点剩余能量以及簇头与非簇头节点的相对位置选取簇头；基于节点剩余能量、非簇头节点数目、节点间相对位置的低梯度关键节点动态选取下一跳中继节点；非簇头节点周期性传播数据给簇头节点，簇头节点将其聚合成一个单一的固定长度的数据包，根据成本代价函数在下一跳节点集合中选择成本代价函数最小的中继节点进行数据转发。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点的梯度值的确定具体包括:将汇聚节点的梯度值MHsink设置为O，其它节点的梯度值MHi设置为无穷大；汇聚节点广播含有一个值为O的跳数计数器HC的初始化消息，其它节点根据接收消息强度最大的初始化消息将其梯度值设置为该消息HC的值加1，更新能量信息，并将消息HC的值用该节点新的梯度值替代，重传该初始化消息给所有的邻居节点，直到所有节点至少一次根据收到的初始化消息设置它们新的梯度值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，节点根据各自的梯度值计算簇半径具体包括:根据公式
计算第1环簇的半径1>其中，1^为网络中簇的环数，rK为第K环簇半径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当第i环和第i_l环簇头的能量均衡消耗时，满足条件:LiEeke +IiSdr ^ L1 Α? 其中，第i环簇头平均每秒传输的数据总通信量SLi，第i环簇头的平均每秒传输距离为屯，ε为功率放大参数，Ε&。表示发射电路损耗的能量，ω为2或4。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定簇头节点具体包括:从网络中随机选取节点作为暂定簇头，相邻暂定簇头中竞争能力值最大的暂定簇头成为簇头节点，构建簇头节点集合，非簇头节点从簇头节点集合中选择竞争能力值最大的簇头与之关联，根据公式Simsp = εΕΜ?+(?-ε){? -计算暂定簇头节点m的竞争能力值S:,A中，Em.M表示节点m的剩余能量，,表示节点m到所在圆环中心线的距离，ε为功率放大参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据公式:
计算成本代价函数，其中，Emin(sm)表示簇头SmT—跳节点集合具有的最小剩余能量,E (sn)表示簇头S1^剩余能量，Nnmai (Sn)表示簇头Sn的簇成员节点数,Nmax (Sm)表示簇头Sm的下一跳节点集合具有的最大簇成员节点数，表示簇头Sm到簇头Sn的距离，表示簇头Sm到汇聚节点距离，d、siKk表示簇头Sn到汇聚节点距离，α、β、Y为正加权系数,且满足α + β + Y =1
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在确定成本代价函数过程中，选择剩余能量较大的簇头作为中继节点。
【文档编号】H04W40/02GK104080144SQ201410345538
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】吉福生, 何静, 吴大鹏, 刘乔寿, 王汝言, 熊余, 杨博然 申请人:重庆邮电大学