專利名稱：一種基于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇拓?fù)淇刂品椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞椒?，主要采用基于不?duì)稱能量分布和引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的方法來解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息高效傳輸?shù)膯栴}，屬于分布式計(jì)算、自組織、拓?fù)淇刂平徊婕夹g(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量節(jié)點(diǎn)組成的特殊的無線網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)感測、收集與分析等功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有體積小、計(jì)算能力有限、依靠無線電波通訊、電池供電等特點(diǎn)，這些特性決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要在具體環(huán)境中以最優(yōu)的方式工作，還有許多待解決的問題。拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中重要的優(yōu)化方法。調(diào)整節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)射功率和規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的睡眠是拓?fù)淇刂浦械闹饕椒āＴ跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)淇刂频闹饕康氖窃诒ＷC網(wǎng)絡(luò)連通性的前提下，通過改善網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能、提高穩(wěn)定性、降低能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命期等目的。在不同的研究各有側(cè)重，現(xiàn)將這些目標(biāo)總結(jié)如下
連通性拓?fù)淇刂频淖罨疽笫潜ＷC網(wǎng)絡(luò)的連通性，否則，破壞了網(wǎng)絡(luò)的連通性的拓?fù)淇刂茖?huì)影響到更上層應(yīng)用的可用性。這一目標(biāo)可以更明確地表示為，拓?fù)淇刂埔ＷC在最大傳輸圖中通過若干跳可達(dá)的節(jié)點(diǎn)在生成的拓?fù)淇刂茍D中仍然可達(dá)。能源效率當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，需要消耗能量，這種數(shù)據(jù)傳送中的能量開銷在節(jié)點(diǎn)的總能量開銷中比例很大，并且，保證正常通訊所需要的最小能量開銷隨著距離的增長呈指數(shù)級(jí)增長。因此，盡量降低能量開銷通常是拓?fù)?br> 控制在保證連通性的基礎(chǔ)上的最主要目標(biāo)。減少干擾節(jié)點(diǎn)間傳播介質(zhì)的共享性和開放性，可能帶來通訊干擾，也可能造成數(shù)據(jù)發(fā)送的沖突，從而產(chǎn)生大量重傳，這些都會(huì)造成額外的能量開銷。所以許多拓
撲控制研究的方案旨在通過合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)射功率降低節(jié)點(diǎn)間的通訊干擾。網(wǎng)絡(luò)稀疏性無線節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力是有限的，所以保證網(wǎng)絡(luò)的稀疏性對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性至關(guān)重要。通過保證網(wǎng)絡(luò)的稀疏性，即鏈路數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)的線性關(guān)系，可以降低路由協(xié)議進(jìn)行路由選擇時(shí)的復(fù)雜性，改善網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。近幾年來，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其廣泛的應(yīng)用受到研究領(lǐng)域的重視。在環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)控制、智能家居等常見的應(yīng)用中領(lǐng)域，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往比集中式效率更高。但是隨著研究的深入，我們面臨著進(jìn)一步提高效率和節(jié)省成本的需求壓力。目前在研究和應(yīng)用領(lǐng)域引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)還比較少見，但移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用漸漸成為解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多問題的一個(gè)突破點(diǎn)和亮點(diǎn)。本發(fā)明將分布式控制和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，基于不對(duì)稱能量分布，提出了一種高效率、自組織的拓?fù)淇刂品桨?，在研究和?shí)際應(yīng)用領(lǐng)域有比較高的參考價(jià)值
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是應(yīng)用移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一種高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茀f(xié)議。本發(fā)明基于分簇式兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在協(xié)議運(yùn)行過程中引入分布式思想，使用不對(duì)稱能量分布，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)良好的連通性、穩(wěn)定性和低能量消耗，對(duì)延長網(wǎng)絡(luò)生命期起到關(guān)鍵作用。本協(xié)議為設(shè)計(jì)高效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂铺峁┝艘环N新設(shè)計(jì)思想，解決了常用拓?fù)淇刂品椒ǖ牟蛔?。技術(shù)方案本發(fā)明所述基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)淇刂品椒ɑ诘乩砦恢貌捎靡苿?dòng)節(jié)點(diǎn)改善丟包率高的弱連接，將不對(duì)稱的能量分布引入分布式簇頭競爭，極大提高了網(wǎng)絡(luò)的連接性和覆蓋性，延遲了網(wǎng)絡(luò)生命期。本發(fā)明使用兩級(jí)時(shí)間輪片方式進(jìn)行簇內(nèi)靜態(tài)拓?fù)淇刂?，使位置相近的兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步節(jié)省了能耗。一、體系結(jié)構(gòu)
本發(fā)明所述的基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇拓?fù)淇刂品椒ň哂袃杉?jí)分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的節(jié)點(diǎn)分為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。地理位置很近的兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)將配對(duì)交替工作，對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)基于剩余能量參與簇頭的競爭，和相關(guān)普通節(jié)點(diǎn)維持簇結(jié)構(gòu)，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將移動(dòng)到高丟包率的連接處進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，提高網(wǎng)絡(luò)的連通性。所述拓?fù)淇刂品椒ㄖ械墓?jié)點(diǎn)分為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具備感知自己和鄰居節(jié)點(diǎn)地理位置的能力。普通節(jié)點(diǎn)的采用固定的信號(hào)覆蓋半徑，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)能覆蓋所有節(jié)點(diǎn)。所述不對(duì)稱能量分布是指移動(dòng)節(jié)點(diǎn)擁有遠(yuǎn)高于普通節(jié)點(diǎn)的能量，在簇頭競爭過程中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率大于普通節(jié)點(diǎn)。所述拓?fù)淇刂品椒ㄖ忻總€(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表，空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表以洪泛方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。二、方法流程
I、網(wǎng)絡(luò)初始化 (I)普通節(jié)點(diǎn)配對(duì)
在向目標(biāo)區(qū)域隨機(jī)部署節(jié)點(diǎn)以后，地理位置距離小于特定閾值的兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)配成一對(duì)，形成一對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)交替工作，對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。所述拓?fù)淇刂品椒ㄖ校魏我粋€(gè)普通節(jié)點(diǎn)最多只能參與到一個(gè)配對(duì)過程中，即節(jié)點(diǎn)形成的對(duì)與對(duì)之間沒有共同的節(jié)點(diǎn)。(2)選擇簇頭
啟動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播自己是匯聚節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)接自己的地理位置、鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)和距離匯聚節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離決定自己是否成為簇頭。所述拓?fù)淇刂品椒ㄖ?，移?dòng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)初始化過程不參與競爭成為簇頭。(3)形成簇
簇頭產(chǎn)生以后，每個(gè)簇頭以洪泛方式向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通告自己已成為“簇頭”，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量與距離關(guān)系選擇距離自己最近的簇頭，形成簇結(jié)構(gòu)。簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)獲得各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息，形成空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。
所述空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable包含了網(wǎng)絡(luò)中的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及其地理位置信2、簇的維護(hù)
(I)簇內(nèi)靜態(tài)拓?fù)淇刂?br> 簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間輪片方式工作，簇內(nèi)若存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)始終處于工作狀態(tài)。(2)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)淇刂?br> 簇結(jié)構(gòu)形成以后，網(wǎng)絡(luò)開始傳輸信息。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以觸發(fā)方式進(jìn)行計(jì)算弱連接處相關(guān)節(jié)點(diǎn)的丟包率，直到該連接處得丟包率降到可容忍程度才停止計(jì)算丟包率。在該過程中，若丟包率大于既定的閾值，則本節(jié)點(diǎn)向其所在簇的簇頭提交服務(wù)請(qǐng)求。①簇頭接收到服務(wù)請(qǐng)求以后，簇頭判斷本簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count
若本簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count大于等于特定閾值，則簇頭只將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送給本簇內(nèi)的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。如果本簇內(nèi)沒有空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則忽略服務(wù)請(qǐng)求。若本簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count大于0且小于特定閾值，簇頭將服務(wù)請(qǐng)求信息發(fā)送給本簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。若本簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count等于0，簇頭將服務(wù)請(qǐng)求以多跳方式發(fā)送到鄰近簇頭，直到發(fā)送到其簇內(nèi)含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的簇頭。該簇頭判斷自己是否為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)若果不是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就將服務(wù)請(qǐng)求隨機(jī)發(fā)送給該簇內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；如果該簇頭是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就不轉(zhuǎn)發(fā)。②接收到服務(wù)請(qǐng)求的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)判斷自己是否是忙碌狀態(tài)
若該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)Idle，則該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)自己到弱連接的中間地理位置進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，加強(qiáng)連接，同時(shí)設(shè)置自己的工作狀態(tài)為忙碌Busy，洪泛通知各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)更新空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。若該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于忙碌狀態(tài)Busy，則根據(jù)其維持的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表將服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給距離目標(biāo)位置最近的一個(gè)空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并啟動(dòng)更新空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。所述拓?fù)淇刂品椒ㄖ校?wù)請(qǐng)求信息包含了丟失數(shù)據(jù)包的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的地理位置信
肩、O本發(fā)明所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中維持的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表不包含該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身。3、簇的重構(gòu) (I)重構(gòu)過程的觸發(fā)
簇頭通知簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇重構(gòu)。當(dāng)前簇頭根據(jù)簇內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目選擇新簇頭。剩余能量越高，鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，成為新簇頭的概率越高。所述方法采用不對(duì)稱的能量分布，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)擁有高于普通節(jié)點(diǎn)能量，簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)成為新簇頭的概率比普通節(jié)點(diǎn)大。(2)新簇頭的產(chǎn)生
每個(gè)簇重啟簇的重構(gòu)過程時(shí)，先判斷給簇內(nèi)有沒有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。如果存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以高于普通節(jié)點(diǎn)的概率參與競爭簇頭節(jié)點(diǎn)。本簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在接收到進(jìn)行簇頭選擇時(shí)，將自身的狀態(tài)設(shè)置為空閑Idle，并更新空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。在新簇頭的選擇過程中，如果有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)成為簇頭，則將該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)設(shè)置為忙碌Busy，并更新空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。本發(fā)明所述協(xié)議中簇的重構(gòu)過程完成在本簇內(nèi)重新選擇簇頭。本發(fā)明的基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)淇刂品椒ǎ诜执厥絻杉?jí)拓?fù)淇刂七^程中引入分布式思想，使用不對(duì)稱能量分布的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命期，對(duì)起到關(guān)鍵作用，所述方法包含的步驟為
第一階段，網(wǎng)絡(luò)初始化，完成第一次選擇簇頭和形成簇結(jié)構(gòu)
步驟I).普通節(jié)點(diǎn)的配對(duì)節(jié)點(diǎn)感知鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置，距離相近的兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)自組織配成一對(duì)，在以后的生命期中交替工作；
步驟I) 選擇簇頭啟動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)普通節(jié)點(diǎn)的剩余能量和地理位置信息，在普通節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生均勻分布的簇頭節(jié)點(diǎn)；
步驟2).簇的形成每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量與距離的關(guān)系選擇距離自己最近的簇頭，形成簇；
第二階段，簇的維護(hù)簇結(jié)構(gòu)形成以后，網(wǎng)絡(luò)開始按照相關(guān)的路由協(xié)議傳輸信息，具體拓?fù)淇刂品椒ㄈ缦?br> 步驟3).簇內(nèi)靜態(tài)拓?fù)淇刂拼貎?nèi)普通節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間輪片方式工作，簇內(nèi)若存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)始終處于工作狀態(tài)；
步驟4).移動(dòng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)淇刂苼G包率大的鏈接處的節(jié)點(diǎn)，向簇內(nèi)含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的簇頭提交服務(wù)請(qǐng)求，請(qǐng)求相關(guān)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到丟包率大的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；
第三階段，簇的重構(gòu)
步驟5).重構(gòu)過程的觸發(fā)簇頭計(jì)數(shù)和特定情況下服務(wù)請(qǐng)求失敗觸發(fā)簇的重構(gòu)；
步驟6).新簇頭的產(chǎn)生簇的重構(gòu)任務(wù)啟動(dòng)以后，當(dāng)前簇頭根據(jù)簇內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目選擇新簇頭；新簇頭產(chǎn)生以后，新簇頭將接替舊簇頭保持與其他簇頭或匯聚節(jié)點(diǎn)的連接性；
綜上所述，在匯聚節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)完成初始化后，網(wǎng)絡(luò)就開始了完全自組織運(yùn)行，即在簇的重構(gòu)過程中，完成節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和不對(duì)稱能量的簇頭選擇。所述簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)，按照時(shí)間輪片方式工作簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)感知鄰居節(jié)點(diǎn)地理位置，完成不交叉配對(duì)；配對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)按周期交替工作，合作完成工作；配對(duì)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)和其他未配對(duì)的簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)以平等的方式進(jìn)行時(shí)間輪片，交替向簇頭提交數(shù)據(jù)包。丟包率大的鏈接處的節(jié)點(diǎn)，向簇內(nèi)含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的簇頭提交服務(wù)請(qǐng)求，該簇頭在簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過閾值且都處于忙碌狀態(tài)時(shí)，忽略服務(wù)請(qǐng)求，否則簇頭將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送給簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)判斷自己工作狀態(tài)若處于空閑狀態(tài)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到丟包率大的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的中間地理位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；若處于忙碌狀態(tài)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在自己維護(hù)的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表中選擇一個(gè)距離目標(biāo)地理位置最近的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并向其發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，使其移動(dòng)到目標(biāo)地理位置，即丟包率大的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的中間地理位置。簇頭計(jì)數(shù)和特定情況下服務(wù)請(qǐng)求失敗觸發(fā)簇的重構(gòu)當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)記錄自己發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目，簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目達(dá)到特定閾值后，啟動(dòng)簇重構(gòu)任務(wù)裝入任務(wù)等待隊(duì)列，簇頭在完成當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)后，在任務(wù)等待隊(duì)列中調(diào)度并啟動(dòng)簇的重構(gòu)任務(wù)；當(dāng)前簇頭與其它簇頭間連接的丟包率超過閾值而產(chǎn)生服務(wù)請(qǐng)求，當(dāng)前簇頭在其簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于既定閾值且各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都處于忙碌狀態(tài)時(shí)，忽略服務(wù)請(qǐng)求并觸發(fā)該簇進(jìn)行簇的重構(gòu)。有益效果本發(fā)明基于移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一種高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茀f(xié)議，移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到丟包率高的地方加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)連接。本發(fā)明基于分簇式兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在協(xié)議運(yùn)行過程中引入分布式思想，使用不對(duì)稱能量分布，最大限度地節(jié)省普通節(jié)點(diǎn)能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命期，提高了網(wǎng)絡(luò)連通性。具體來說，本發(fā)明所述的路由協(xié)議具有如下的有益效果
(I)本發(fā)明所述分簇拓?fù)淇刂品椒ㄔ诜执氐木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到有需求的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，加強(qiáng)了連接，減少了數(shù)據(jù)包的丟失，維護(hù)了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。(2)所述拓?fù)淇刂品椒ㄏ拗屏嗣總€(gè)簇內(nèi)可以擁有的最大移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，在自組織的方式下，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的均勻分布，極大可能地保障了每個(gè)簇的生命期和網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。(3)所述拓?fù)淇刂品椒ㄒ杂|發(fā)的方式計(jì)算丟包率和停止計(jì)算丟包率，直接有效，有利于節(jié)省能耗。(4)所述拓?fù)淇刂品椒ㄖ校總€(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表，并由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)更新，減輕了普通節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)擔(dān)，利于延長網(wǎng)絡(luò)的生命期。空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表的使用，實(shí)現(xiàn)了快速搜尋距離目標(biāo)位置最近的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。(5)本發(fā)明所述方法中普通節(jié)點(diǎn)使用固定的信號(hào)覆蓋半徑，而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)可以覆蓋全局網(wǎng)絡(luò)，減少了功率控制帶來的計(jì)算延遲和能量消耗。(6)本發(fā)明使用不對(duì)稱能量分布條件下的簇頭競爭，剩余能量越多的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率越大，所以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)成為簇頭的可能增多，實(shí)現(xiàn)了最大限度地節(jié)省普通節(jié)點(diǎn)能量， 延長網(wǎng)絡(luò)生命期。(7)所述分簇拓?fù)淇刂品椒ㄆ浯貎?nèi)普通節(jié)點(diǎn)使用兩級(jí)時(shí)間輪片工作方式，進(jìn)一步節(jié)省了普通節(jié)點(diǎn)能耗。


圖I、普通節(jié)點(diǎn)的配對(duì)行為示意圖。圖2、初始化形成簇結(jié)構(gòu)示意圖。圖3、簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于閾值且有空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)拓?fù)淇刂剖疽鈭D。圖4、簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于閾值且無空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)拓?fù)淇刂剖疽鈭D。圖5、簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)小于閾值且有空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)拓?fù)淇刂剖疽鈭D。圖6、簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)小于閾值且無空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)拓?fù)淇刂剖疽鈭D。圖7、計(jì)數(shù)觸發(fā)啟動(dòng)簇的重構(gòu)示意圖。圖8、簇頭間丟包觸發(fā)啟動(dòng)簇的重構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)附圖本發(fā)明的某些實(shí)施例作更詳細(xì)的描述。I、網(wǎng)絡(luò)初始化 (I)普通節(jié)點(diǎn)配對(duì)各個(gè)普通節(jié)點(diǎn)基于地理位置信息分別計(jì)算自己到各個(gè)普通鄰居節(jié)點(diǎn)的距離。如圖I所示，若兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的距離d小于特定的閾值，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)配成一對(duì)，否則不配對(duì)。任何一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)最多只能參與到一個(gè)對(duì)中，即節(jié)點(diǎn)形成的對(duì)沒有交叉。形成一個(gè)對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間輪片的方式交替工作，如圖2所示。一個(gè)對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)配置成使用相同的ID號(hào)和相同的地理位置信息，對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。(2)選擇簇頭
啟動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播自己是匯聚節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)接自己的地理位置、鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)和距離匯聚節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離決定自己是否成為簇頭。如圖2所示，在初始化過程中產(chǎn)生的簇頭都是普通節(jié)點(diǎn)。(3)形成簇
簇頭產(chǎn)生以后，每個(gè)簇頭以洪泛方式向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通告自己已成為“簇頭”，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量與距離關(guān)系選擇距離自己最近的簇頭，形成簇結(jié)構(gòu)。簇頭統(tǒng)計(jì)本簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count。簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)獲得網(wǎng)絡(luò)中的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及其地理位置信息，形成空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。2、簇的維護(hù)
簇結(jié)構(gòu)形成以后，網(wǎng)絡(luò)開始按照相關(guān)的路由協(xié)議傳輸信息，具體拓?fù)淇刂品椒ㄈ缦?(I)簇內(nèi)靜態(tài)拓?fù)淇刂?br> 簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間輪片方式工作，簇內(nèi)若存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)始終處于工作狀態(tài)。其中抱對(duì)的兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)以對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)的方式，接收簇頭分配的時(shí)間片。(2)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)淇刂?br> ①信息傳輸過程中，發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)(包括普通節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn))在第一次發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失，即未接收到ACK信息時(shí)，觸發(fā)本節(jié)點(diǎn)開始周期性地計(jì)算該鏈接處的丟包率。這個(gè)過程直到丟包率連續(xù)特定個(gè)數(shù)周期低于閾值時(shí)才以觸發(fā)方式結(jié)束。②在該過程中，若丟包率大于既定的閾值，則本節(jié)點(diǎn)向其所在簇的簇頭提交服務(wù)請(qǐng)求(若本節(jié)點(diǎn)為簇頭則提交給自己)。③簇頭接收到服務(wù)請(qǐng)求以后，簇頭判斷本簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count:
若本簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count大于等于特定閾值，則簇頭只將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送給本簇內(nèi)的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。如果本簇內(nèi)沒有空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則忽略服務(wù)請(qǐng)求，如圖4所
/Jn o若本簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count大于0且小于特定閾值，簇頭將服務(wù)請(qǐng)求信息發(fā)送給本簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。若本簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目Count等于0，如圖6所示,簇頭將服務(wù)請(qǐng)求以多跳方式發(fā)送到鄰近簇頭，直到發(fā)送到其簇內(nèi)含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的簇頭。該簇頭判斷自己是否為移動(dòng)節(jié)點(diǎn) 若果不是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，就將服務(wù)請(qǐng)求隨機(jī)發(fā)送給該簇內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；如果該簇頭是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就不轉(zhuǎn)發(fā)給該簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)。④接收到服務(wù)請(qǐng)求的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)判斷自己是否是忙碌狀態(tài)
若該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)Idle，則該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)自己到弱連接的中間地理位置進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，加強(qiáng)連接，如圖3、圖5和圖6所示，同時(shí)設(shè)置自己的工作狀態(tài)為忙碌Busy，洪泛通知各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)更新空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。若該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于忙碌狀態(tài)Busy，則根據(jù)其維持的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表將服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給距離目標(biāo)位置最近的一個(gè)空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并啟動(dòng)更新空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。3、簇的重構(gòu)
簇的重構(gòu)具體步驟如下
(I)重構(gòu)過程的觸發(fā)
簇的重構(gòu)過程可以由兩種方式觸發(fā)
簇重構(gòu)過程的觸發(fā)方式一
①當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)在自己的寄存器Reg中記錄自己發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目。②若簇頭為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則簇頭在發(fā)送M個(gè)數(shù)據(jù)包之后將啟動(dòng)簇重構(gòu)任務(wù)裝入任務(wù)等待隊(duì)列，如圖7中A簇所示；
③若簇頭為普通節(jié)點(diǎn)，則簇頭在發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包之后將啟動(dòng)簇重構(gòu)任務(wù)裝入任務(wù)等待隊(duì)列，如圖7中B簇所示。簇頭在完成當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)后，在任務(wù)等待隊(duì)列中調(diào)度并啟動(dòng)簇的重構(gòu)任務(wù)。所述數(shù)據(jù)包發(fā)送個(gè)數(shù)根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的能量關(guān)系設(shè)置為M大于N。簇重構(gòu)過程的觸發(fā)方式二
簇頭在計(jì)數(shù)自己發(fā)送的數(shù)據(jù)包過程中，發(fā)生簇頭到簇頭之間連接的丟包率超過閾值而產(chǎn)生服務(wù)請(qǐng)求。若負(fù)責(zé)計(jì)算該鏈接丟包率的簇，其簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于既定閾值且各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都處于忙碌狀態(tài)Busy時(shí)，則簇頭忽略服務(wù)請(qǐng)求并觸發(fā)該簇進(jìn)行簇的重構(gòu)，如圖8所示。(2)新簇頭的產(chǎn)生
①簇頭向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送啟動(dòng)重構(gòu)消息，通知簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇的重構(gòu)。②簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在接收到進(jìn)行簇頭選擇時(shí)，將自身的狀態(tài)設(shè)置為空閑Idle，并以洪泛方式通知網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)更新各自維護(hù)的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。③簇頭判斷給簇內(nèi)有沒有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。如果本簇內(nèi)存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以高于普通節(jié)點(diǎn)的概率參與競爭簇頭節(jié)點(diǎn)。④當(dāng)前簇頭以剩余能量多和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目多為原則，選擇新簇頭。⑤如果有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)成為新的簇頭，則將該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)設(shè)置為忙碌 Busy，并通知網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)更新空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表IdleTable。⑥新簇頭產(chǎn)生以后，新簇頭接替舊簇頭保持與其他簇頭或匯聚節(jié)點(diǎn)的連接性。
權(quán)利要求
1.一種基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于在分簇式兩?jí)拓?fù)淇刂七^程中引入分布式思想，使用不對(duì)稱能量分布的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命期，對(duì)起到關(guān)鍵作用，所述方法包含的步驟為第一階段，網(wǎng)絡(luò)初始化，完成第一次選擇簇頭和形成簇結(jié)構(gòu)步驟I).普通節(jié)點(diǎn)的配對(duì)節(jié)點(diǎn)感知鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置，距離相近的兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)自組織配成一對(duì)，在以后的生命期中交替工作；步驟I).選擇簇頭啟動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)普通節(jié)點(diǎn)的剩余能量和地理位置信息，在普通節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生均勻分布的簇頭節(jié)點(diǎn)；步驟2).簇的形成每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量與距離的關(guān)系選擇距離自己最近的簇頭，形成簇；第二階段，簇的維護(hù)簇結(jié)構(gòu)形成以后，網(wǎng)絡(luò)開始按照相關(guān)的路由協(xié)議傳輸信息，具體拓?fù)淇刂品椒ㄈ缦虏襟E3).簇內(nèi)靜態(tài)拓?fù)淇刂拼貎?nèi)普通節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間輪片方式工作，簇內(nèi)若存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)始終處于工作狀態(tài)；步驟4).移動(dòng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)淇刂苼G包率大的鏈接處的節(jié)點(diǎn)，向簇內(nèi)含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的簇頭提交服務(wù)請(qǐng)求，請(qǐng)求相關(guān)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到丟包率大的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；第三階段，簇的重構(gòu)步驟5).重構(gòu)過程的觸發(fā)簇頭計(jì)數(shù)和特定情況下服務(wù)請(qǐng)求失敗觸發(fā)簇的重構(gòu)；步驟6).新簇頭的產(chǎn)生簇的重構(gòu)任務(wù)啟動(dòng)以后，當(dāng)前簇頭根據(jù)簇內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目選擇新簇頭；新簇頭產(chǎn)生以后，新簇頭將接替舊簇頭保持與其他簇頭或匯聚節(jié)點(diǎn)的連接性；綜上所述，在匯聚節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)完成初始化后，網(wǎng)絡(luò)就開始了完全自組織運(yùn)行，即在簇的重構(gòu)過程中，完成節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和不對(duì)稱能量的簇頭選擇。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟谒龃貎?nèi)普通節(jié)點(diǎn)，按照時(shí)間輪片方式工作簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)感知鄰居節(jié)點(diǎn)地理位置，完成不交叉配對(duì)；配對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)按周期交替工作，合作完成工作；配對(duì)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)和其他未配對(duì)的簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)以平等的方式進(jìn)行時(shí)間輪片，交替向簇頭提交數(shù)據(jù)包。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟趤G包率大的鏈接處的節(jié)點(diǎn)，向簇內(nèi)含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的簇頭提交服務(wù)請(qǐng)求，該簇頭在簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過閾值且都處于忙碌狀態(tài)時(shí)，忽略服務(wù)請(qǐng)求，否則簇頭將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送給簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)判斷自己工作狀態(tài)若處于空閑狀態(tài)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到丟包率大的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的中間地理位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；若處于忙碌狀態(tài)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在自己維護(hù)的空閑移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表中選擇一個(gè)距離目標(biāo)地理位置最近的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并向其發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，使其移動(dòng)到目標(biāo)地理位置，即丟包率大的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的中間地理位置。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟诖仡^計(jì)數(shù)和特定情況下服務(wù)請(qǐng)求失敗觸發(fā)簇的重構(gòu)當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)記錄自己發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目，簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目達(dá)到特定閾值后，啟動(dòng)簇重構(gòu)任務(wù)裝入任務(wù)等待隊(duì)列，簇頭在完成當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)后，在任務(wù)等待隊(duì)列中調(diào)度并啟動(dòng)簇的重構(gòu)任務(wù)；當(dāng)前簇頭與其它簇頭間連接的丟包率超過閾值而產(chǎn)生服務(wù)請(qǐng)求，當(dāng)前簇頭在其簇內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于既定閾值且各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都處于忙碌狀態(tài)時(shí)，忽略服務(wù)請(qǐng)求并觸發(fā)該簇進(jìn)行簇的重構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于不對(duì)稱能量分布和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)淇刂品椒?，在分簇式兩?jí)拓?fù)淇刂七^程中引入分布式思想，使用不對(duì)稱能量分布的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命期，對(duì)起到關(guān)鍵作用，所述方法包含的步驟為第一階段，網(wǎng)絡(luò)初始化，完成第一次選擇簇頭和形成簇結(jié)構(gòu)第二階段，簇的維護(hù)簇結(jié)構(gòu)形成以后，網(wǎng)絡(luò)開始按照相關(guān)的路由協(xié)議傳輸信息，第三階段，簇的重構(gòu)綜上所述，在匯聚節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)完成初始化后，網(wǎng)絡(luò)就開始了完全自組織運(yùn)行，即在簇的重構(gòu)過程中，完成節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和不對(duì)稱能量的簇頭選擇。在匯聚節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)完成初始化后，網(wǎng)絡(luò)就開始了完全自組織運(yùn)行，即在簇的重構(gòu)過程中，完成節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和不對(duì)稱能量的簇頭選擇。
文檔編號(hào)H04W16/00GK102595412SQ201210006009
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者岳文靜, 陳志 , 駱平 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)