一种基于能量的无线传感网络簇头继承分簇方法

摘要

本发明公开一种能量高效的基于簇头继承机制的无线传感器网络路由方法，适用于分层的传感器网络结构。本路由方法由初始化，稳定传输和簇头继承三个阶段组成。初始化阶段完成整个网络的初始化分簇过程；稳定传输阶段，各个簇分别对簇内节点的数据进行收集并转发给基站；当簇头节点的剩余能量低于节点在首次担当簇头时所设置的能量阈值时，即进入簇头继承阶段，本阶段将进行簇头继承操作。本路由方法主要针对传统分簇算法需要定期地根据一个随机概率频繁更换簇头所带来的问题进行改进，通过能量阈值参数的设置，使得网络中节点的能耗更加均衡，并且簇头更加自主动态地进行更换，从而更有效地延长网络的生存时间。

主权项

一种应用于分簇路由协议的基于能量的簇头继承方法，具体步骤主要包括：初始化阶段，稳定阶段和簇头继承阶段；初始化阶段的操作步骤如下：步骤1.1：设Pinit为初始化阶段各节点被选择担任簇头的概率，各个节点分别设置Pinit＝0.05，初始化阶段将完成网络分簇和首次簇头选举的过程；步骤1.2：各节点在初始化阶段将分别产生一个0～1之间的随机数，将该随机数与Pinit进行比较，若随机数小于Pinit，则节点设置自身为簇头节点，作为簇头节点，首先需要为自已设置一个能量阈值E_thresh，以决定何时更换簇头；设置好能量阈值后，节点广播ADV_CH消息，通知其他节点自己担任簇头，ADV_CH消息中包含簇头的ID，然后簇头节点等待来自簇成员节点的请求加入消息；若节点产生的随机数大于或等于Pinit，节点设置自身为簇成员节点，等待来自所有簇头节点所广播的ADV_CH消息；步骤1.3：当簇成员节点接收到来自周围各簇头发送的ADV_CH消息之后，将根据接收到的ADV_CH报文的信号强度选择距离自己最近的簇头节点，并向该节点发送JOIN_REQ消息请求加入该簇；步骤1.4：簇头节点收到簇成员节点的JOIN_REQ消息后，为簇成员节点分配TDMA时隙，并将该信息通过ADV_SCH报文广播给簇成员节点，当簇成员节点收到该报文后，网络的分簇及首次簇头选举完成，初始化阶段结束；稳定阶段的操作步骤如下：步骤2.1：簇成员节点根据簇头节点分配的TDMA时隙，在每一帧指定的时隙内向簇头节点发送DATA报文，报文中捎带簇成员节点自身的当前剩余能量，记为curEnergy；步骤2.2：簇成员节点每次发送完DATA报文后，将继续等待一个时隙的时间，监听是否有来自簇头节点的CHG_CH消息，若收到的话，节点进入簇头继承阶段，否则，节点进入休眠状态，等待下一帧的数据传输；步骤2.3：簇头节点收到来自簇成员节点的DATA报文后，将提取各个簇成员节点的剩余能量信息，并记录在一个簇内节点剩余能量列表CMEnergyList中，同时将收集到的簇成员节点采集的数据与自身的数据进行相应的融合操作，然后发送给Sink节点；步骤2.4：簇头节点在将数据发送给Sink节点之后，判断自身当前所剩余的能量值是否仍然大于初始担任簇头时所设置的能量阈值E_thresh；若是，簇头节点将继续下一帧的数据 传输，等待接收来自簇成员节点的DATA报文，否则簇头节点进入簇头继承阶段；簇头继承阶段的操作步骤如下：步骤3.1：原簇头节点进入簇头继承阶段，将根据CMEnergyList列表选择簇内成员中剩余能量最多的节点担任继承簇头，将继承节点的ID包含在CHG_CH报文中，在下一帧中分别发送给各个成员节点；步骤3.2：簇成员节点在等待的时隙中收到来自簇头的CHG_CH报文，进入簇头继承阶段，首先节点判断CHG_CH报文中包含的节点ID是否与自身的ID相同，如果是，节点得知自己被选中担任继任簇头，将自身设置为簇头节点，同时设置能量阈值E_thresh，然后等待其他成员节点的请求加入报文；步骤3.3：如果节点判断CHG_CH报文包含的ID与自身ID不同，则将该ID保存为新的簇头节点ID，并向新的簇头节点发送JOIN_REQ报文请求加入；继任簇头收到簇成员节点发送过来的JOIN_REQ报文后，为簇成员节点分配TDMA调度表，并通过ADV_SCH报文广播给簇成员节点；当簇成员节点收到该报文后，簇头继承操作结束，转到步骤2.1。