适用于扩散事件驱动网络的基于分裂与重组的动态分簇方法

1.本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种适用于扩散事件驱动网络的基于分裂与重组的动态分簇方法。


背景技术：

2.无线传感器网络(wsns,wireless sensor networks)是指大量具有数据感知和无线传输功能的节点组成的网络，这些节点收集所在区域的相关信息并发送给汇聚节点，以实现对指定区域的监控；随着电子、通信、计算机技术的飞速发展，无线传感器网络已广泛应用于军事、医疗健康、智慧农业、灾害监测等方面。
3.无线传感器网络中，根据数据传输周期是否固定，可将网络分为两类：周期性网络和事件驱动型网络，前者是指传感节点周期性对监测区域采样并定期将感知数据发送给汇聚节点，如健康监测中对病人生理数据的实时采集与报告、智慧农业中对植物生长环境的实时监测等；后者是指网络中的节点在通常情况下不发送数据，一旦有事件发生，则高频采集数据并发送到汇聚节点，如自然灾害预警(火灾、山洪、泥石流、台风等)、燃油燃气泄漏、公共安全监控等。
4.在事件驱动型网络中，事件发生的概率很小，且发生时间无法预测，因此，为减小此类网络节点的能量消耗，提升网络的传输性能，基于事件驱动的传输方法被提了出来，基于事件驱动的传输方法指的是根据事件的类型不同和对于时延和传输可靠性要求不同，对不同类型的事件设计不同的路由和传输方案以满足网络中事件的传输时延和可靠性要求。
5.由于事件大多伴随时间和空间发生改变，为了提高网络性能，基于事件驱动的动态分簇方法被提出，常规的动态分簇需要每轮在事件区域重新选举簇头，分簇传输等，通信交互开销巨大、传输时延加长，这样网络的可靠性较低，显然这不是所期望的结果。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于扩散事件驱动网络的基于分裂与重组的动态分簇方法，能适应扩散性变化的事件驱动型应用场景，快速构建网络模型，设计简单有效的传输方案，使事件发生时网络的动态簇的分布更加的均匀合理，提高无线传感器网络的可靠性。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种适用于扩散事件驱动网络的基于分裂与重组的动态分簇方法，包括：
9.根据有无事件发生，整个网络的传输分为两种状态：无事件发生时的静态分层分簇传输和事件触发后基于分裂和重组的动态分簇协作传输，其中静态分层分簇是基于分裂和重组的动态分簇的基础；
10.第一状态：无事件发生时，网络执行静态分层分簇传输；其包括两阶段：分层分簇成树和数据传输；第一阶段网络执行分层分簇成树，各节点划定区域进行分层、分簇，各簇按要求形成树状结构；成树完成后，进入第二阶段，各簇依次向汇聚节点进行数据传输；
11.第二状态：事件发生后，网络执行动态分簇传输；其包括三阶段：初始事件簇的形成、事件扩散时基于分裂和重组的动态分簇、新簇形成后的数据传输。
12.进一步，无事件发生时，网络执行静态分层分簇成树，具体步骤如下：
13.s11：令网络的宽度为m，高度为n，为保证网络的分簇均匀，避免簇头与簇成员相距甚远，将网络分为n层：
14.n＝k/(σ
×
(θ
ch
/θ
n
‑
ch
)
15.其中k为网络的节点数，σ为每层的簇数目，θ
ch
为簇头融合数据后单次能发送的最大有效数据长度，θ
n
‑
ch
为每个数据包平均有效数据长度；每簇高度为n/σ，这样共形成nσ个网格区域；
16.s12：计算出静态成簇时节点s
i
的簇头竞争能力
[0017][0018]
其中为节点自身的能量，为节点到汇聚节点的信道质量，d为节点与汇聚节点之间的距离；
[0019]
s13：每个网格区域选出簇头竞争能力χ
a
最大的节点作为簇头，簇头选出后，每个网格区域的簇头分时隙邀请同一区域的其余节点加入到本区域的簇内，当申请节点数大于簇的最大容量时，簇头根据节点位置判断申请节点是否入选，处于成簇完的边界的节点优先被选择，因为它们被后续簇头选择的机会更少；
[0020]
s14：成簇完毕后，汇聚节点广播成树消息，接收到此消息的簇头查看自身层数和所在的区域，若层数比收到的数据的层数小1且处于同一层高，则将其父节点设置为发送节点，将跳数加1，并将自身位置、层高、层宽加入成树帧，并广播该成树消息，如果后续收到的跳数相同或者更大，则丢弃后续的成树消息，所有簇均加入树状网络中，则成树完成。
[0021]
进一步，事件发生后的第一阶段，网络形成初始事件簇，具体步骤如下：
[0022]
s21：事件中心节点向汇聚节点汇报事件发生；事件的属性被综合为一个复合事件感应强度si，当节点s
i
的事件感应强度大于事件阈值si
min
，表明节点检测到事件发生，首个检测到事件发生的节点为事件中心节点，其向汇聚节点汇报事件发生，汇聚节点收到消息广播事件发生，网络进入动态分簇传输；
[0023]
s22：汇聚节点广播事件开始，各节点按动态簇头竞选规则进行簇头选择；计算出动态成簇时节点的簇头竞争能力：
[0024][0025]
其中si为事件感应强度，为节点自身的能量，为节点到汇聚节点的信道质量，d为节点与汇聚节点之间的距离，选出χ
b
最大的节点为初始簇簇头，簇头选出之后邀请其余唤醒节点加入到本簇内，初始事件簇形成完毕。
[0026]
进一步，事件发生后的第二阶段，事件范围扩散，网络进行动态分裂和重组，形成新的事件簇，具体步骤如下：
[0027]
s23：随着事件范围的扩大，每轮开始的时候各簇头依次广播邀请新成员，收到邀
请信息的事件区域刚唤醒的节点将自身所在的静态簇的区域编号和动态竞争能力值发送给簇头，簇头汇总本簇节点和新节点的区域信息后判断：若所有节点均属于同一区域，则本簇继续保持；同时簇头检查自身竞争力，若发现本簇内有节点的竞争力比自身强，则实施簇头转让；在下一时隙，簇头广播新增成员信息，并宣布本簇继续保持以及簇头转让消息，附带上转让的新簇头的信息；若所有节点属于两个及以上区域，则簇头向汇聚节点上报各节点区域信息、请求实施簇的分裂和重组；
[0028]
s24：簇头转让；若需实施簇头转让，则原簇头广播簇头转让信息时附带上新簇头的信息，簇内节点收到信息后断开与原簇头的连接并与新簇头建立连接，同一多跳链路上的上下级簇头也断开连接并与新簇头建立连接；
[0029]
s25：簇的分裂；汇聚节点收到请求分裂信息后，对要分裂的区域信息进行整理并广播，宣布开始簇的分裂，各簇头依次广播解散本簇信息，本簇原有成员和新增成员接收到信息后回到静态分层分簇状态，等待簇的重组；
[0030]
s26：簇的重组；等待重组的节点，根据静态簇所划定的区域依次重组成簇，成簇完成后，簇头检查本簇成员数目，若成员数目较少，发出二次重组请求，周围能接收该簇的簇头回应重组确认帧，收到确认帧的小簇广播二次重组信息，宣布合并到新簇，所有节点连接到合并簇簇头上，若周围无能够接受该小簇的簇头，则小簇继续保持。
[0031]
本发明的有益效果在于：相对于传统的分簇方法，本发明根据事件的发展方式来确定了分簇的方式，确保了无线传感器网络能够对事件进行有效的监控，提升控制中心的判断决策，同时通过分裂和重组的分簇方案使事件簇的分布更加的均匀合理，保证了数据的可靠性传输。
[0032]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0034]
图1为本发明所述方法的动态簇的分裂与重组的场景图；
[0035]
图2为本发明所述方法的动态簇的分裂与重组的时隙图。
具体实施方式
[0036]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本
发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0038]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0039]
请参阅图1，在本实施例中，提出一种适用于扩散事件驱动网络的基于分裂与重组的动态分簇方法，包括：
[0040]
根据有无事件发生，整个网络的传输分为两种状态：无事件发生时的静态分层分簇传输和事件触发后基于分裂和重组的动态分簇协作传输，其中静态分层分簇是基于分裂和重组的动态分簇的基础。
[0041]
第一种状态：无事件发生时，网络执行静态分层分簇传输；其包括两阶段：分层分簇成树和数据传输；第一阶段网络执行分层分簇成树，各节点划定区域进行分层、分簇，各簇按要求形成树状结构；成树完成后，进入第二阶段，各簇依次向汇聚节点进行数据传输。具体包括：
[0042]
s11：令网络的宽度为m，高度为n，为保证网络的分簇均匀，避免簇头与簇成员相距甚远，将网络分为n层：
[0043]
n＝k/(σ
×
(θ
ch
/θ
n
‑
ch
)
[0044]
其中k为网络的节点数，σ为每层的簇数目，θ
ch
为簇头融合数据后单次能发送的最大有效数据长度，θ
n
‑
ch
为每个数据包平均有效数据长度；每簇高度为n/σ，这样共形成nσ个网格区域；
[0045]
s12：计算出静态成簇时节点s
i
的簇头竞争能力
[0046][0047]
其中为节点自身的能量，为节点到汇聚节点的信道质量，d为节点与汇聚节点之间的距离；
[0048]
s13：每个网格区域选出簇头竞争能力χ
a
最大的节点作为簇头，簇头选出后，每个网格区域的簇头分时隙邀请同一区域的其余节点加入到本区域的簇内，当申请节点数大于簇的最大容量时，簇头根据节点位置判断申请节点是否入选，处于成簇完的边界的节点优先被选择，因为它们被后续簇头选择的机会更少；
[0049]
s14：成簇完毕后，汇聚节点广播成树消息，接收到此消息的簇头查看自身层数和所在的区域，若层数比收到的数据的层数小1且处于同一层高，则将其父节点设置为发送节点，将跳数加1，并将自身位置、层高、层宽加入成树帧，并广播该成树消息，如果后续收到的跳数相同或者更大，则丢弃后续的成树消息，所有簇均加入树状网络中，则成树完成。
[0050]
第二种状态：事件发生后，网络执行动态分簇传输；其包括三阶段：初始事件簇的
形成、事件扩散时基于分裂和重组的动态分簇、新簇形成后的数据传输。
[0051]
在事件发生后的第一阶段，网络形成初始事件簇，具体步骤如下：
[0052]
s21：事件中心节点向汇聚节点汇报事件发生；事件的属性被综合为一个复合事件感应强度si，当节点s
i
的事件感应强度大于事件阈值si
min
，表明节点检测到事件发生，首个检测到事件发生的节点为事件中心节点，其向汇聚节点汇报事件发生，汇聚节点收到消息广播事件发生，网络进入动态分簇传输；
[0053]
s22：汇聚节点广播事件开始，各节点按动态簇头竞选规则进行簇头选择；计算出动态成簇时节点的簇头竞争能力：
[0054][0055]
其中si为事件感应强度，为节点自身的能量，为节点到汇聚节点的信道质量，d为节点与汇聚节点之间的距离，选出χ
b
最大的节点为初始簇簇头，簇头选出之后邀请其余唤醒节点加入到本簇内，初始事件簇形成完毕。
[0056]
在事件发生后的第二阶段，事件范围扩散，网络进行动态分裂和重组，形成新的事件簇，具体步骤如下：
[0057]
s23：随着事件范围的扩大，每轮开始的时候各簇头依次广播邀请新成员，收到邀请信息的事件区域刚唤醒的节点将自身所在的静态簇的区域编号和动态竞争能力值发送给簇头，簇头汇总本簇节点和新节点的区域信息后判断：若所有节点均属于同一区域，则本簇继续保持；同时簇头检查自身竞争力，若发现本簇内有节点的竞争力比自身强，则实施簇头转让；在下一时隙，簇头广播新增成员信息，并宣布本簇继续保持以及簇头转让消息，附带上转让的新簇头的信息；若所有节点属于两个及以上区域，则簇头向汇聚节点上报各节点区域信息、请求实施簇的分裂和重组；
[0058]
s24：簇头转让；若需实施簇头转让，则原簇头广播簇头转让信息时附带上新簇头的信息，簇内节点收到信息后断开与原簇头的连接并与新簇头建立连接，同一多跳链路上的上下级簇头也断开连接并与新簇头建立连接；
[0059]
s25：簇的分裂；汇聚节点收到请求分裂信息后，对要分裂的区域信息进行整理并广播，宣布开始簇的分裂，各簇头依次广播解散本簇信息，本簇原有成员和新增成员接收到信息后回到静态分层分簇状态，等待簇的重组；
[0060]
s26：簇的重组；等待重组的节点，根据静态簇所划定的区域依次重组成簇，成簇完成后，簇头检查本簇成员数目，若成员数目较少，发出二次重组请求，周围能接收该簇的簇头回应重组确认帧，收到确认帧的小簇广播二次重组信息，宣布合并到新簇，所有节点连接到合并簇簇头上，若周围无能够接受该小簇的簇头，则小簇继续保持。
[0061]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。