一种适用于无线传感器网络的能耗均衡快速分簇方法与流程

本发明涉及一种适用于无线传感器网络的能耗均衡快速分簇方法，基于无线传感器网络拓扑控制，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术：

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种综合了无线通信技术、传感器技术、嵌入式分布计算技术及智能信息处理等技术的新型测控网络，能够协作地对各种环境或监测对象的信息进行实时监测、感知和采集并传送给用户。

目前的分簇拓扑算法在簇的形成和簇头选举上会消耗较多的能量，尤其是在拓扑结构变化较小的网络中，容易造成远近节点得能耗不均衡，部分节点过早耗尽能量。另外，采用簇内多跳法进行维护很容易造成子节点接收时间过长，能量效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有分簇算法的能耗不均衡，节点接收时间长，能量利用率低等不足问题，提出一种适用于无线传感器网络的能耗均衡快速分簇方法。

为达到上述目的，本发明的构思如下：

本发明包含快速分簇拓扑结构建立和数据收集两个阶段；快速分簇拓扑结构建立阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的信息，并基于该成簇参数来构建快速分簇的网络拓扑结构，将簇内节点分为两类：一类靠近簇头，可以直接与簇头通信；另一类离簇头较远，通过第一类节点的中转才能与簇头通信；采用这种多跳方法平衡节点的发射能耗，使较远节点不需要大功率发送信息。网络经过簇的建立后，进入稳定的数据收集阶段。数据收集阶段分为同步阶段、外层工作阶段与内层工作阶段。在同步阶段，簇头发布携带控制命令的同步信号，所有节点以此为时钟基准；在外层工作阶段，外层的奇子区和偶子区交替地将数据发往内层相关的父节点；在内层工作阶段，内层节点将自身的和中转的所有信息按照时隙依次地发给汇聚节点。簇头将内外层节点控制处理好后，还将外层分为不同的子区，并标记为奇数和偶数子区，在发送数据时形成空间隔离，不互相干扰；同时子区的位置和大小容易控制，在时序控制上容易实现。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种适用于无线传感器网络的能耗均衡快速分簇方法，包括如下步骤：

步骤一，快速分簇拓扑结构建立：通过节点间的信息交换来构建一个网络拓扑结构，由簇头和传感器互相协作完成，分为两步进行：

（1）内层通信模块划分：簇头发出命令后根据返回的RSSI值大小，划分出内层节点，并对它们的相对位置进行编号；

（2）外层通信模块划分：簇头命令每个内层节点对外广播RSSI测试信息，根据收集到的反馈信息，定义每一内层节点与外层节点之间的联通关系，并由此关系定义各个子区；

步骤二，数据收集：快速分簇拓扑网络结构经过建立完成后，开始进入稳定的数据收集阶段，数据收集阶段分为同步阶段、外层工作阶段与内层工作阶段共三个阶段：

（1）同步阶段：簇头发布同步信号，传到内层通信模块和外层通信模块，两个模块做好反馈信息的准备；

（2）外层工作阶段：上一步中，将外区划分好过后分别编号，根据编号划分奇子区和偶子区，同时外层的奇子区和偶子区交替地将数据发往内层相关的父节点，防止子区之间的相互干扰；

（3）内层工作阶段：内层节点将自身的和中转的所有信息按照时隙依次地发给汇聚节点。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明方法针对拓扑结构变化较小的网络，采用了快速分簇和并行传输相结合的方法，，既避免了在拓扑网络结构建立时频繁选举簇头的能量损耗，又避免了分簇结构之间的互相干扰问题。当分簇拓扑建立时，将能量较多的簇头按比例均匀部署在网络中，可以避免繁复的选举簇头浪费能量，充分发挥高能量簇头的功能优势，对簇内节点有序控制，从而达到能耗均衡的目的。本方法能有效节省网络能量消耗，延长网络生命周期，并能有效避免簇间干扰。

附图说明

图1为本发明所述快速分簇拓扑结构建立示意图，其中（a）为内外层节点划分示意图，（b）为子区建立示意图，（c）为子区分布图。

图2为本发明所述快速分簇拓扑结构建立方法流程图。

图3为本发明所述数据收集的时隙控制图，其中（a）为奇时隙工作子区，（b）为偶时隙工作子区，（c）数据收集阶段时隙控制图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。

首先介绍RSSI的定义：接收的信号强度指示，用来判定链接质量，内外层节点区分的依据，以及是否增大广播发送强度。

TDMA：时分多址的时隙分配方法。

一种适用于无线传感器网络的能耗均衡快速分簇方法，包括如下步骤：

步骤一：快速分簇拓扑结构的建立，分为内层区域划分和外层子区域划分，具体划分方法参考图1和图2：

步骤1：簇头发出广播“RSSI值大于K的成员请应答”命令；

步骤2：图1（a）中a8距离A较近，RSSI值较大，符合步骤1的要求，a8节点对簇头进行应答，b14距离较远，RSSI值未达到要求，则舍去；

步骤3；所有点的确定方法与步骤2相同，簇头收到应答信息后再次发送确认内层节点的信息；

步骤4：簇头命令内层节点广播RSSI测试信息，根据收到的RSSI值确定内层节点成员位置排序，如图1（a）中a1-a8；

步骤5：簇头选择地址编号最小的内层节点如a1对外广播RSSI测试信息，并监测应答信息并反馈给簇头A，如图1（b）箭头表示；

步骤6：重复步骤5，直到所有内层节点都广播一遍RSSI测试信息并反馈给簇头；

步骤7：簇头根据步骤5、6反馈的信息确定内层节点和外层节点间的联通关系；

步骤8：簇头由步骤7确定的联通关系划分外层子区，为了防止负载过重，每个子区的整体节点数目不超过3，按照该规则得出图1（b）的子区；

步骤9：簇头发布子区分布结果，如图1（c）所示，快速分簇方法见图2。

步骤二：异快速分簇拓扑结构建立完成后，进入稳定的数据收集控制阶段，数据收集控制阶段的工作时序具体步骤参考图3。

步骤1：簇头给内层节点和外层节点发布带有控制命令的同步信号作为时钟基准；

步骤2：如图3(a)中，子区1中a1对b1、b16收集数据，子区3中a3对b4、b5收集数据，也就是说，奇数子区可以同时收集自己的数据；而2、4、6、8偶数子区这个时刻不工作。此目的是为了防止相邻子区的无线干扰，而奇数子区之间由于相隔一定距离不会相互干扰，所以可以同时工作。收集数据按照图3(c)时序，先实现外层奇数子区内的两个节点数据收集，由于子区包含二个节点，故占用二个时隙。

步骤3：如图3(b)中，子区2中a2对b2、b3收集数据，子区4中a4对b6、b7收集数据，也就是说，偶数子区可以同时收集自己的数据；而1、3、5、7奇数子区这个时刻不工作。此目的是为了防止相邻子区的无线干扰，而偶数子区之间由于相隔一定距离不会相互干扰，所以可以同时工作。收集数据按照图3(c)时序，先实现外层偶数子区内的两个节点数据收集，由于子区包含二个节点，故占用二个时隙。

步骤4：内层节点将接收到的所有外层节点数据信息以时隙分配方式按照节点编号依次发送给簇头A。