一种局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法

摘要

一种局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法，属于无线传感器网络技术领域。本发明的目的针对现有分簇算法存在的簇头选举不合理、全局周期性重新成簇高能量消耗等不足问题的局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法。本发明包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段。包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段。分簇拓扑构建阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的成簇参数，并基于该成簇参数来构建分簇的网络拓扑结构。一旦建立网络拓扑结构，就开始运行网络指定的任务。在网络的运行过程中，当簇头节点的剩余能量低于簇内平均剩余能量时，触发局部簇内拓扑维护过程，即备份簇头成为簇头，并重新获得簇内各节点的成簇参数，使成簇参数大的节点成为备份簇头，本发明实时维护网络的稳定，实现平均网络能量消耗、延长网络生命周期的目的。

主权项

一种局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法，其特征在于：(一)分簇拓扑构建：分簇拓扑构建主要是通过节点间的信息交换来构建一个网络拓扑结构，包括成簇参数计算、成簇两个部分，(1)成簇参数计算：网络中任意节点u向网络广播自身的信息，并接收其它节点的信息，信息包括节点ID、初始能量Einit、位置坐标(x,y)，节点u根据接收到的信息通过式计算其成簇参数，其中Eres(u)，Eres(v)分别为节点u，v的剩余能量，v为节点u的任一邻居节点，Nu为节点u的邻居节点集合，d(u,v)为节点u，v之间的距离，已知节点u，v的坐标(x_u,y_u),(x_v,y_v)，则d(u,v)可表示为：d_u为节点u的节点度，n为网络的节点数，(2)成簇：网络中的任意节点u开始都为初始态，具有启动定时器T_init，其中P_u为节点的成簇参数，T_unit为常数，表示发送单个比特所需的时间，当T_init停止时，节点u由初始态转变为簇头，并向网络广播一个其成为簇头的消息ChMsg，该消息包含节点u的ID_u、成簇参数P_u，节点u发射范围内的任一邻居节点v接收到消息ChMsg时，首先停止自身的启动定时器T_init，并更新其簇头列表ChList_v，即将簇头的ID_u和成簇参数P_u存入列表，然后向网络广播其加入该簇的确认消息MackMsg，该消息包含成员节点v的ID_v、成簇参数P_v以及所加入簇头u的ID_u，当簇头u接收到确认消息MackMsg时，更新簇内成员列表MbList_u，即将成员v的ID_v成簇参数P_v存入成员列表MbList_u，网络内的其它某节点w接收到该确认消息MackMsg时，如果其处于成员状态，且其簇头和该确认信息节点的相同，则更新簇内邻居列表NbList_w，当网络中的某个处于初始态的节点同时接收到多个成为簇头的消息ChMsg时，则该节点选择其中成簇参数最大的那个加入该簇，而当两个簇头的成簇参数大小一致时，则加入节点ID大的那个簇，当网络中所有节点的启动定时器都停止时，所有簇头从其成员列表中选择成簇参数最大的节点作为备份簇头，并向网络广播备份簇头消息CbMsg，该消息包含簇头ID，备份簇头ID，接收到该备份簇头消息CbMsg的节点，判断其是否为同簇，如果是，接下来判断备份簇头ID是否为本身，如果是，从成员变为备份簇头，(二)拓扑维护:网络运行过程中，当簇头节点的剩余能量小于簇内平均剩余能量时，触发簇内拓扑维护，也就是说根据式计算簇内的平均剩余能量，判断簇头的剩余能量是否比其小，如果小，则簇头广播簇维护消息CntMsg，其状态从簇头变为成员，成员列表更新为邻居列表，簇头列表更新为备份簇头，接收到簇维护消息的备份簇头其状态从备份簇头成为簇头，其邻居列表更新为成员列表，并将簇头列表中的首项移除至成员列表，接收到簇维护消息的簇内成员更新其簇头列表，将备份簇头置为簇头列表首位，将原来的簇头移至邻居簇头列表中，且簇内任意节点u根据式计算成簇参数，其中d_n为节点u的簇内邻居个数，然后节点向网络广播消息BdMsg，包含节点ID、簇头ID、剩余能量以及成簇参数，簇头根据接收到的消息BdMsg更新成员列表中的成簇参数，并选择成簇参数最大的节点为备份簇头，并向网络广播BdMsg，包含节点ID、备份簇头ID，簇内成员接收到BdMsg消息，更新簇内邻居列表中的成簇参数，如果没有收到原列表中某节点的消息，则说明该节点故障或死亡，将其从簇内邻居列表中删除，簇内成员接收到BdMsg消息，判断自身ID与备份簇头ID一致，如果相同，则从成员节点状态变为备份簇头节点状态，拓扑维护的过程伴随网络的运行，直到网络死亡。