專利名稱：一種無線傳感器網絡中基于gaf改進分簇機制的熱區問題解決方案的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感器網絡中基于GAF改進分簇機制的熱區問題解決方案， 屬無線傳感器網絡路由技術領域。
背景技術：
無線傳感器網絡由大量的智能節點組成，這些智能節點靠無線和多跳方式進行通信，自主組成網絡，通過相互直接的協調來采集目標數據，并將數據傳送給觀察者。傳感器節點是無線傳感器網絡的基本構成單位，由于節點微小，通常只能攜帶有能量十分有限的電池。而傳感器網絡的部署環境復雜，有些區域甚至人員不能達到，所以一旦投放使用，將很難再補充能量，因此節能對無線傳感器網絡來說是至關重要的課題。為了在能量有限的情況下延長傳感器網絡的有效壽命，人們提出了若干節能的路由協議。無線傳感器網絡中現在為了節約能量均采用分簇機制，即在網絡中根據一定的規則劃分一些節點，這些節點組成一個簇，其中一個節點當選為簇首，其余簇內成員都將數據傳遞給簇首，由簇首負責將這些數據進行聚合，但簇首并不是直接將數據傳遞給基站，而是根據路由協議，將數據傳遞給其它的簇首進行轉發，最終將數據傳遞給基站。根據數據需要幾次傳遞給基站可以將簇劃分在不同的層里面，直接將數據傳遞給基站的簇屬于第0層， 需要轉發一次的簇屬于第1層，依次類推。GAF(geographical adaptive fidelity)改進分簇機制是典型的基于節點地理位置的分簇算法。和GAF算法相比，GAF改進分簇機制在簇首選擇中考慮了節點的剩余能量， 不再是完全的隨機產生，從而比GAF算法更加合理的利用能量。但也存在一些缺陷靠近基站的簇需要比外層的簇承擔更多的轉發數據的責任，從而讓越靠近基站的簇首消耗能量越多，進而導致節點能量消耗完畢，網絡過早失去連接，這就是所謂的熱區問題。

發明內容
為克服現有無線傳感器網絡路由協議的缺陷與不足，本發明提供一種無線傳感器網絡中基于GAF改進分簇機制的熱區問題解決方案。本發明在GAF改進算法的基礎上，采用控制活動節點數目來平衡各層簇間的負載，即讓越靠近基站的簇里活動節點在滿足服務質量的前提下盡可能的少些，同時讓其余節點處于休眠狀態，當有節點死亡時喚醒其中一個節點，從而讓這些簇中簇首用于收集信息的能量消耗少些，并且有更多的冗余節點可以用來替代死亡節點。這樣可以有更多的能量來承擔轉發數據的任務。通過這種方案來盡可能的緩解上述熱區問題，延長網絡的生存時間。—種基于GAF改進算法分簇模型的熱區問題解決方案，在監控區域內，傳感器節點均勻分布，基站在區域的中央；首先根據GAF改進分簇機制，將整個網絡劃分為虛擬的單元格，每個單元格為一個簇，每個簇內有相同數量的傳感器節點，記為X，根據節點的剩余能量選舉出簇首，然后根據外圍簇的個數，基站對整個簇需要轉發的數據量進行評估，最后根據轉發數據的能量消耗計算出不同層之間的簇內需配置的活動節點的數目的比例；傳感器節點具有相同的初始能量記為E，發送和接收單位數據消耗的能量均為常數，分別為Ttl和 R0,傳感器節點產生周期性常量負載P，基于GAF改進算法分簇模型的熱區問題解決方案如下(1)基站根據監控區域的面積，將整個網絡劃分為N個虛擬的單元格，并將每個節點隸屬于哪個單元格的信息告訴所有的傳感器節點，由于所有的區域都可以通過增補變成正方形，所以每一層的簇個數Cn = 8Xn-4(n = 1,2,…Μ)，其中η為層數；(2)根據經典的GAF改進算法，利用基站廣播的信息，屬于同一個單元格的節點自主組成一個簇，然后各簇成員之間通過廣播通信來了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的節點當選為簇首，如果所有節點的剩余能量都相同，則每個節點都隨機產生一個小于1 的數，產生隨機數最小的節點當選簇首；(3)計算每一層產生的數據量，由于網絡的對稱性，隸屬于同一個層的每個簇的活動節點數均相同，記為An，每一層的數據量為P*An*Cn ；(4)計算每一層需要轉發的全部數據量，比本層離基站更遠一些的所有層產生的數據都由本層的簇進行轉發，所以第i層需要轉發的所有的數據量為自己層產生的數據量
N
和比本層離基站更遠一些的所有層需要轉發的數據量之和，共為Ρ*Σ AnCn ；
n=i(5)計算每一個簇首需要消耗的能量，需要接受和發送的數據量是相同的，從上一層傳遞過來的數據量由本層所有的簇首均分，可得每一個節點在擔任簇首的周期中所消耗
N
的能量為五(代)=(Ro+T0) χ (PX 為 + (PX ^ AnCn ) / C1), (i=l，2，..，N)，i 為簇首
n=i+l
隸屬的層數；(6)計算不同層間的簇內活動節點數目的比例，均衡負載的目的是為了讓所有簇的能量同時耗盡，即讓所有的簇有相同的存活時間，因為節點作為簇內普通節點時消耗的能量相同，所以可以忽略，可得方程式為(X-Ai)EZiE(Hi) = (X_Ai+1)E/E(Hi+1)，整理此方程即可得不同層中簇內應設置的活動節點的個數之間的關系，其中i為簇隸屬的層數；(7)隨著數據傳遞，當開始出現節點能量耗盡時，簇首主動發送喚醒幀，通知一個休眠節點來頂替自己，直到所有節點能量都耗盡，網絡工作結束。本發明通過在改進GAF分簇模型的基礎上控制活動節點數來緩解無線傳感器網絡的熱區問題。利用節點的冗余，來為數據轉發提供更多的能量，從而讓這些節點能夠承擔更多的數據轉發的任務，延長了網絡的生存周期。


圖1為熱區問題的示意圖。圖2為GAF分簇機制效果圖。圖3為GAF改進算法簇首選舉流程示意圖。圖4為本發明的算法軟件流程圖。
其中，〇代表普通傳感器節點， 代表簇首，■代表基站。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例一種基于GAF改進算法分簇模型的熱區問題解決方案，如圖1-圖4所示，在監控區域內，傳感器節點均勻分布，基站在區域的中央；首先根據GAF改進分簇機制，將整個網絡劃分為虛擬的單元格，每個單元格為一個簇，每個簇內有相同數量的傳感器節點，記為X， 根據節點的剩余能量選舉出簇首，然后根據外圍簇的個數，基站對整個簇需要轉發的數據量進行評估，最后根據轉發數據的能量消耗計算出不同層之間的簇內需配置的活動節點的數目的比例；傳感器節點具有相同的初始能量記為E，發送和接收單位數據消耗的能量均為常數，分別為Ttl和Rtl，傳感器節點產生周期性常量負載P，基于GAF改進算法分簇模型的熱區問題解決方案如下(1)基站根據監控區域的面積，將整個網絡劃分為N個虛擬的單元格，并將每個節點隸屬于哪個單元格的信息告訴所有的傳感器節點，由于所有的區域都可以通過增補變成正方形，所以每一層的簇個數Cn = 8Xn-4(n = 1,2,…Μ)，其中η為層數；(2)根據經典的GAF改進算法，利用基站廣播的信息，屬于同一個單元格的節點自主組成一個簇，然后各簇成員之間通過廣播通信來了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的節點當選為簇首，如果所有節點的剩余能量都相同，則每個節點都隨機產生一個小于1 的數，產生隨機數最小的節點當選簇首；(3)計算每一層產生的數據量，由于網絡的對稱性，隸屬于同一個層的每個簇的活動節點數均相同，記為An，每一層的數據量為P*An*Cn ；(4)計算每一層需要轉發的全部數據量，比本層離基站更遠一些的所有層產生的數據都由本層的簇進行轉發，所以第i層需要轉發的所有的數據量為自己層產生的數據量
N
和比本層離基站更遠一些的所有層需要轉發的數據量之和，共為Ρ*Σ AnCn ；
n=i(5)計算每一個簇首需要消耗的能量，需要接受和發送的數據量是相同的，從上一層傳遞過來的數據量由本層所有的簇首均分，可得每一個節點在擔任簇首的周期中所消耗
N
的能量為五(代)=(Ro+T0) χ (PX 為 + (PX ^ AnCn ) / C1), (i=l，2，..，N)，i 為簇首
n=i+l
隸屬的層數；(6)計算不同層間的簇內活動節點數目的比例，均衡負載的目的是為了讓所有簇的能量同時耗盡，即讓所有的簇有相同的存活時間，因為節點作為簇內普通節點時消耗的能量相同，所以可以忽略，可得方程式為(X-Ai)EZiE(Hi) = (X_Ai+1)E/E(Hi+1)，整理此方程即可得不同層中簇內應設置的活動節點的個數之間的關系，其中i為簇隸屬的層數；(7)隨著數據傳遞，當開始出現節點能量耗盡時，簇首主動發送喚醒幀，通知一個休眠節點來頂替自己，直到所有節點能量都耗盡，網絡工作結束。
權利要求
1. 一種無線傳感器網絡中基于GAF改進分簇機制的熱區問題解決方案，在監控區域內，傳感器節點均勻分布，基站在區域的中央；首先根據GAF改進分簇機制，將整個網絡劃分為虛擬的單元格，每個單元格為一個簇，每個簇內有相同數量的傳感器節點，記為X，根據節點的剩余能量選舉出簇首，然后根據外圍簇的個數，基站對整個簇需要轉發的數據量進行評估，最后根據轉發數據的能量消耗計算出不同層之間的簇內需配置的活動節點的數目的比例；傳感器節點具有相同的初始能量記為E，發送和接收單位數據消耗的能量均為常數，分別為Ttl和Rtl，傳感器節點產生周期性常量負載P，其特征在于，基于GAF改進算法分簇模型的熱區問題解決方案如下(1)基站根據監控區域的面積，將整個網絡劃分為N個虛擬的單元格，并將每個節點隸屬于哪個單元格的信息告訴所有的傳感器節點，由于所有的區域都可以通過增補變成正方形，所以每一層的簇個數Cn = 8Xn-4(n = 1,2,…Μ)，其中η為層數；(2)根據經典的GAF改進算法，利用基站廣播的信息，屬于同一個單元格的節點自主組成一個簇，然后各簇成員之間通過廣播通信來了解彼此的剩余能量信息，剩余能量最大的節點當選為簇首，如果所有節點的剩余能量都相同，則每個節點都隨機產生一個小于1的數，產生隨機數最小的節點當選簇首；(3)計算每一層產生的數據量，由于網絡的對稱性，隸屬于同一個層的每個簇的活動節點數均相同，記為An，每一層的數據量為P*An*Cn ；(4)計算每一層需要轉發的全部數據量，比本層離基站更遠一些的所有層產生的數據都由本層的簇進行轉發，所以第i層需要轉發的所有的數據量為自己層產生的數據量和比N本層離基站更遠一些的所有層需要轉發的數據量之和，共為Ρ*Σ AnCn ；n=i(5)計算每一個簇首需要消耗的能量，需要接受和發送的數據量是相同的，從上一層傳遞過來的數據量由本層所有的簇首均分，可得每一個節點在擔任簇首的周期中所消耗的能N量為E(H1)= (Ro+To) X (PX^+ (PX ^AnCn) /Q)，(i=l，2，..，N)，i 為簇首隸屬n=i+l的層數；(6)計算不同層間的簇內活動節點數目的比例，均衡負載的目的是為了讓所有簇的能量同時耗盡，即讓所有的簇有相同的存活時間，因為節點作為簇內普通節點時消耗的能量相同，所以可以忽略，可得方程式為(X-Ai)EziE(Hi) = (X_Ai+1)E/E(Hi+1)’整理此方程即可得不同層中簇內應設置的活動節點的個數之間的關系，其中i為簇隸屬的層數；(7)隨著數據傳遞，當開始出現節點能量耗盡時，簇首主動發送喚醒幀，通知一個休眠節點來頂替自己，直到所有節點能量都耗盡，網絡工作結束。
全文摘要
一種無線傳感器網絡中基于GAF改進分簇機制的熱區問題解決方案，屬無線傳感器網絡路由技術領域。在監控區域內，傳感器節點均勻分布，基站在區域的中央；首先根據GAF改進分簇機制，將網絡劃分為虛擬的單元格，每個單元格為一個簇，每個簇內有相同數量的傳感器節點，根據節點的剩余能量選舉出簇首，然后根據外圍簇的個數，基站對整個簇需要轉發的數據量進行評估，最后根據轉發數據的能量消耗計算出不同層之間的簇內需配置的活動節點的數目的比例。通過在改進GAF分簇模型的基礎上控制活動節點數來緩解無線傳感器網絡的熱區問題。利用節點的冗余，來為數據轉發提供更多的能量，從而讓這些節點能夠承擔更多的數據轉發的任務，延長了網絡的生存周期。
文檔編號H04W84/18GK102572995SQ20121000618
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者王偉才, 陳滌 申請人:山東大學