無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇算法
【專利摘要】無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇算法，當網(wǎng)絡中某個節(jié)點的能量值低于設定的閾值時，就進行節(jié)點重組，重新選擇簇頭。該算法主要是在簇首選舉和普通節(jié)點接入簇首的過程中，結合考慮了節(jié)點的電池放電恢復情況及剩余能量情況，從而有效地均衡了全網(wǎng)節(jié)點的能量消耗。本發(fā)明BAR-HEED算法在均衡全網(wǎng)節(jié)點能耗及延長網(wǎng)絡壽命方面較HEED算法有顯著提高。
【專利說明】無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇算法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡中分簇算法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡領域。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡具有十分廣闊的應用前景，在許多重要領域都存在潛在的實用價 值。因此，關于傳感器網(wǎng)絡的研究議題已成為當前國內外研究機構關注的熱點之一。然而 無線傳感器網(wǎng)絡是一種能量受限的網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點通常只能攜帶能量十分有限的電池， 大量節(jié)點密集部署在環(huán)境復雜的監(jiān)測區(qū)域內，更換電池幾乎是不可能的，因此無線傳感器 網(wǎng)絡的首要設計目標就是有限能源的高效利用。電池作為傳感節(jié)點的供能設備，是無線傳 感器網(wǎng)絡獲得高性能的一個關鍵因素。然而，從目前的研究來看，對電池能量特性的研究仍 然沒有深入到無線傳感器網(wǎng)絡領域，沒有深入考慮電池本身的規(guī)律，割裂了電池放電特性 和節(jié)能機制的有機聯(lián)系，使得電池沒有得到有效的恢復和利用。因此對電池放電特性進行 更加深入的研究是十分有必要的。通過深入了解電池放電行為，分析電池放電行為對傳感 器網(wǎng)絡的影響，能夠有效地均衡全網(wǎng)節(jié)點的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡壽命。
[0003] 分簇路由協(xié)議是把網(wǎng)絡中的節(jié)點分成簇結構，并在每個簇內選出一個簇首節(jié)點， 其余為成員節(jié)點。基于分簇的路由算法在拓撲管理、能量效率、數(shù)據(jù)融合等方面都具有明顯 的優(yōu)勢。因此，分簇路由協(xié)議在節(jié)省網(wǎng)絡能量，延長網(wǎng)絡壽命，保障網(wǎng)絡可靠性等方面有廣 泛的應用前景。同時，如果在分簇路由協(xié)議的研究設計中加入對節(jié)點電池放電特性的考慮 應能進一步提高分簇路由協(xié)議的性能。能源問題是無線傳感器網(wǎng)絡中一個主要的挑戰(zhàn)，使 電池供電的傳感節(jié)點達到最大的生存時間來支持數(shù)據(jù)的采集與傳輸是當今的研究熱點之 〇
[0004] 目前關注路由協(xié)議中能量損耗的算法稱為能量感知路由算法，其主要是從數(shù)據(jù)傳 輸過程中的能量消耗出發(fā)，討論具有最優(yōu)能量消耗以及最長網(wǎng)絡壽命等問題。常見的能量 感知路由主要有最大PA路由（Max Power Available Routing)、最小能量消耗路由、LEACH、 HEED、最小-最大電池代價路由（Min-Max Battery Cost Routing,MMBCR)等。該類路由的 優(yōu)點是將能量作為形成路由的一個主要考慮因素，更好地解決了無線傳感器網(wǎng)絡能量有限 的問題。
[0005] HEED算法主要是利用了一個混合因素來進行周期性地簇首選舉，主要因素依賴于 剩余能量，次要因素依賴于簇內通信代價。HEED的優(yōu)點在于：分簇能在一個固定的迭代次 數(shù)內終止；考慮成簇后簇內的通信開銷，把節(jié)點剩余能量作為一個參量引入算法，形成的網(wǎng) 絡拓撲更趨合理，全網(wǎng)能量消耗更均勻。HEED的不足在于：周期性地進行簇重組，消耗了多 余的額外能量；采用單跳發(fā)送數(shù)據(jù)，沒有考慮到簇首與基站直接通信耗能大的問題。而其他 算法，也大多考慮的是依據(jù)節(jié)點剩余能量，節(jié)點深度等因素，但是這種技術通常只有在當節(jié) 點由堿性電池供電時才有效，因為此時電池的電壓與其剩余能量值成正比例變化關系。然 而，當節(jié)點由鋰電池供電時，此技術就不再適用了，因為鋰電池在其生命期間基本都維持一 個恒定的電壓值。目前，在WSN領域中，對電池放電特性的研究并沒有非常深入，網(wǎng)絡中仍 存在部分節(jié)點過早失效的現(xiàn)象。而且，從目前的研究來看，對于傳感器節(jié)點電池的定量分析 與研究是少之又少，沒有深入考慮電池本身的規(guī)律，將節(jié)能機制和電池放電特性的研究相 分離，使得電池沒有得到有效地恢復和利用，從而影響全網(wǎng)的生存壽命。
[0006] 有鑒于此，本發(fā)明人針對現(xiàn)有技術的缺陷深入研究，遂有本案產生。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種有效節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇 算法（BAR-HEED算法)。
[0008] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的： 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇算法，當網(wǎng)絡中某個節(jié)點的能量值低于設定的閾值時，就進 行節(jié)點重組，重新選擇簇頭，具體包括如下步驟： 第一步驟：建立鄰居列表階段： 首先全網(wǎng)節(jié)點在自己的一跳節(jié)點范圍內廣播 消息中包含了該節(jié)點當前的剩余能量值和節(jié)點預先算出的到下一個發(fā) 包時刻的電池容量值GapKi#; 電池模型公式為… ￡1表示電池總容量，即的取值由具體電池性能得出，L表示的是電池的生 命周期，即電池結束時間扣去開始時間的值，對于一個恒定的放電電流來說，該式可以簡化 為下式：
【權利要求】
1.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇算法，其特征在于：當網(wǎng)絡中某個節(jié)點的能量值低于設定 的閾值時，就進行節(jié)點重組，重新選擇簇頭，具體包括如下步驟： 第一步驟：建立鄰居列表階段： 首先全網(wǎng)節(jié)點在自己的一跳節(jié)點范圍內廣播 /MfoiVfsg,消息中包含了該節(jié)點當前的剩余能量值和節(jié)點預先算出的到下一個發(fā) 包時刻的電池容量值; 電池模型公式為必 js-1 表示電池總容量，即的取值由具體電池性能得出，L表示的是電池的生命 周期，即電池結束時間扣去開始時間的值，對于一個恒定的放電電流來說，該式可以簡化為 下式： ?=Zx H·)+J x 蓋x (6存。1 - :_) 將這兩個值發(fā)出后，收到該消息的節(jié)點建立一個鄰居節(jié)點列，將該發(fā)送 節(jié)點的ID號，剩余能量值，及其預先算出的電池容量值記錄于表中，同時該接收節(jié)點根據(jù) 接收門限值TAmsfeW以及接收到的信號強度RSSI值計算出向這個節(jié)點發(fā)送一個單位數(shù) 據(jù)包所需的最小發(fā)射功率值min 并將該功率值一并記錄進表iftiionFor--。其中 m m Txftwer的計算公式如下： min TxPower = Threshold + (TkPowerStari - ESSI)； 第二步驟：全網(wǎng)迭代分簇階段； 當所有節(jié)點都完成了鄰居節(jié)點列表的建立后，全網(wǎng)進入迭代組網(wǎng)階段； 首先，每個節(jié)點根據(jù)自己的鄰居節(jié)點列表中記錄的mmTiiVwer值計算出自己作為簇 首的最小旗內通?目代價; 每個節(jié)點在自己的鄰居節(jié)點列表中選出擁有最大電池容量值的節(jié)點作為自己 的臨時簇首節(jié)點，如果碰到有相同值的兩個節(jié)點，則選擇剩余能量職大的那個 節(jié)點，當節(jié)點選出的臨時簇首節(jié)點剛好是該節(jié)點本身，則其標記自己的位為 1，而后開始廣播最終簇首消息，消息中包含了該簇首節(jié)點的剩余能 量值、電池容量值以及最小簇內通信代價； 普通節(jié)點在接收到簇首節(jié)點的廣播消息后，首先建立一個臨 時簇首列表ΤΒΜΚΑΨ--Α?,并將該簇首節(jié)點的ID號，剩余能量值電池容量值 Qpify,最小簇內通信代價以及接收到的信號強度RSSI值記錄進表；在選最終 簇首時，依次考慮這些臨時簇首節(jié)點的電池容量情況剩余能量值最小簇 內通信代價以及接收到的節(jié)點信號強度RSSI ;首先選出擁有最大值的節(jié) 點作為自己的最終簇首節(jié)點申請加入，若出現(xiàn)兩個節(jié)點的值大小相同，則選擇擁有 較多剩余能量值ΙΕ?· 1的那個，而如果兩個節(jié)點的〇!?〇：_值和值均相等時，則再繼 續(xù)考慮選擇擁有較小值的節(jié)點或擁有較大RSSI值的節(jié)點作為自己的最終簇首節(jié) 點，向其發(fā)送入簇申請，當所有節(jié)點都接入自己的簇首節(jié)點后，組網(wǎng)完成，全網(wǎng)節(jié)點開始進 入數(shù)據(jù)采集和傳輸階段。
【文檔編號】H04W40/24GK104113891SQ201410327300
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權日:2014年7月10日
【發(fā)明者】楊琦, 林嘯 申請人:廈門大學