一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方案

摘要

一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方案，属无线传感器网络路由技术领域。在监控区域内，传感器节点均匀分布，基站在区域的；首先根据GAF改进分簇机制，将网络划分为虚拟的单元格，每个单元格为一个簇，每个簇内有相同数量的传感器节点，根据节点的剩余能量选举出簇首，然后根据外围簇的个数，基站对整个簇需要转发的数据量进行评估，最后根据转发数据的能量消耗计算出不同层之间的簇内需配置的活动节点的数目的比例。通过在改进GAF分簇模型的基础上控制活动节点数来缓解无线传感器网络的热区问题。利用节点的冗余，来为数据转发提供更多的能量，从而让这些节点能够承担更多的数据转发的任务，延长了网络的生存周期。

主权项

1.一种无线传感器网络中基于GAF改进分簇机制的热区问题解决方案，在监控区域内，传感器节点均匀分布，基站在区域的中央；首先根据GAF改进分簇机制，将整个网络划分为虚拟的单元格，每个单元格为一个簇，每个簇内有相同数量的传感器节点，记为X，根据节点的剩余能量选举出簇首，然后根据外围簇的个数，基站对整个簇需要转发的数据量进行评估，最后根据转发数据的能量消耗计算出不同层之间的簇内需配置的活动节点的数目的比例；传感器节点具有相同的初始能量记为E，发送和接收单位数据消耗的能量均为常数，分别为T₀和R₀，传感器节点产生周期性常量负载P，其特征在于，基于GAF改进算法分簇模型的热区问题解决方案如下：(1)基站根据监控区域的面积，将整个网络划分为N个虚拟的单元格，并将每个节点隶属于哪个单元格的信息告诉所有的传感器节点，由于所有的区域都可以通过增补变成正方形，所以每一层的簇个数Cn＝8×n-4(n＝1，2，…M)，其中n为层数；(2)根据经典的GAF改进算法，利用基站广播的信息，属于同一个单元格的节点自主组成一个簇，然后各簇成员之间通过广播通信来了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的节点当选为簇首，如果所有节点的剩余能量都相同，则每个节点都随机产生一个小于1的数，产生随机数最小的节点当选簇首；(3)计算每一层产生的数据量，由于网络的对称性，隶属于同一个层的每个簇的活动节点数均相同，记为An，每一层的数据量为P*An*Cn；(4)计算每一层需要转发的全部数据量，比本层离基站更远一些的所有层产生的数据都由本层的簇进行转发，所以第i层需要转发的所有的数据量为自己层产生的数据量和比本层离基站更远一些的所有层需要转发的数据量之和，共为(5)计算每一个簇首需要消耗的能量，需要接受和发送的数据量是相同的，从上一层传递过来的数据量由本层所有的簇首均分，可得每一个节点在担任簇首的周期中所消耗的能量为$E\left(H_i\right)=(R_0+T_0)\times (P\times A_i+(P\times \underset{n=i+1}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{AnCn})/C_i),(i=\mathrm{1,2},..,N),$i为簇首隶属的层数；(6)计算不同层间的簇内活动节点数目的比例，均衡负载的目的是为了让所有簇的能量同时耗尽，即让所有的簇有相同的存活时间，因为节点作为簇内普通节点时消耗的能量相同，所以可以忽略，可得方程式为：(X-A_i)E/E(H_i)＝(X-A_i+1)E/E(H_i+1)’整理此方程即可得不同层中簇内应设置的活动节点的个数之间的关系，其中i为簇隶属的层数；(7)随着数据传递，当开始出现节点能量耗尽时，簇首主动发送唤醒帧，通知一个休眠节点来顶替自己，直到所有节点能量都耗尽，网络工作结束。