本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)的方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是由大量微小而且低成本的傳感器組成，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳或者多跳的方式向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送收集過(guò)來(lái)的信息。這些傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力。由于wsn不需要固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，具有易快速部署、易擴(kuò)展、抗破壞性強(qiáng)、適合惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此，wsn在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等眾多領(lǐng)域都具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積較小，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力都有限；特別是傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電,節(jié)點(diǎn)一旦布置很難再對(duì)它們進(jìn)行充電，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期會(huì)受到能量的限制。如何利用每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)有限的能量資源并采用一種高效數(shù)據(jù)傳遞方法，使能量消耗和能量負(fù)載達(dá)到平衡成為一個(gè)重要的研究課題。

典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括密集部署的靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)靜態(tài)的匯聚節(jié)點(diǎn)。靠近匯靜態(tài)聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)著較重的數(shù)據(jù)流量，因能量消耗較快而容易出現(xiàn)能量洞，大大降低了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。所以，在傳統(tǒng)的路由協(xié)議中，為減少能量消耗，通過(guò)減少信息傳播的跳數(shù)和數(shù)據(jù)量成為首選策略，但是仍然避免不了靠近靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量消耗較快的現(xiàn)象。一些研究者便提出了移動(dòng)的匯聚節(jié)點(diǎn)的策略，這樣移動(dòng)的匯聚節(jié)點(diǎn)附近的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間變化而變化，在某種程度上平衡了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，相比了靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)大大延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時(shí)，多個(gè)的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)在某種程度上比單個(gè)的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)在提升無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能上有著顯著的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)的方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的能量空洞現(xiàn)象以及簇頭分布不均勻的問(wèn)題，減輕了網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載，大大延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的方法，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知區(qū)域部署多個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，將每一個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)為簇頭，分別構(gòu)成多個(gè)簇集；每個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行自主性移動(dòng)，且相互之間均可通信。

進(jìn)一步，當(dāng)某一當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)需要向移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)首先確定其自身到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離，如果所述距離小于其傳輸半徑，則該當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)就直接與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)通信；否則，計(jì)算所述當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)最大的最佳跳數(shù)以及其到下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)的最大距離；在小于所述最大最佳跳數(shù)和小于所述最大距離的全部傳感器節(jié)點(diǎn)中選出下一跳候選移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，使所述下一跳候選移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離小于該當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離；再在所述下一跳候選移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)中選取出剩余能量最大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為最終的下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)收集完每輪數(shù)據(jù)后，根據(jù)與其距離一跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量判斷是否移動(dòng)到新位置，判斷方法為：

步驟3.1，判斷各鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量是否低于給定的能量閾值eth，如果剩余能量低于給定能量閾值eth的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與全部鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的比值超過(guò)給定的比例p％則該移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)需要尋找一個(gè)新位置，在該新位置，存在超過(guò)1-p％的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量不低于給定的能量閾值eth；

步驟3.2，如果能夠找到滿足上述條件的新位置，則該移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到新位置，如果未能找到符合上述條件的新位置，則調(diào)整能量閾值eth，使eth＝βeth，其中0＜β＜1，然后返回步驟3.1，直至找到滿足上述條件的新位置；在調(diào)整能量閾值eth的過(guò)程中，當(dāng)能量閾值eth調(diào)整到最小值emin時(shí)不再調(diào)整。

進(jìn)一步，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)尋找新位置的方法為：

把以移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)為中心的簇集內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)都看作是新位置的候選點(diǎn)，設(shè)置參數(shù)nhops表示距離匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)為n的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)，如果在距離移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)n跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有找到合適的新位置，則增加參數(shù)nhops的值，直到找到合適的位置為止，即nhops≤nmax，nmax為最大跳數(shù)；

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)向距離為n跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求新位置的信息，當(dāng)鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的請(qǐng)求新位置的信息時(shí)，鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)向距離自己一跳的其他鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求剩余能量等級(jí)的信息，當(dāng)其他鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)收到各自區(qū)域剩余能量等級(jí)的信息后，發(fā)送給移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)；

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)所要移動(dòng)區(qū)域的剩余能量等級(jí)來(lái)判斷出最佳的移動(dòng)位置，如果在移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)收到的所述區(qū)域的剩余能量等級(jí)中，只有一個(gè)區(qū)域的剩余能量等級(jí)滿足條件，即該區(qū)域內(nèi)一跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量e′th＝eth+αeth，其中0＜α＜1，則移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)就移動(dòng)到該區(qū)域，作為新位置；如果存在多個(gè)區(qū)域的剩余能量等級(jí)滿足條件，則比較所述區(qū)域的剩余能量總和，將剩余能量總和最大值對(duì)應(yīng)區(qū)域作為移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)最終移動(dòng)的新位置；如果未找到最佳的移動(dòng)位置，則增大參數(shù)nhops后按照前述方法重新尋找新位置。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，(1)確定節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的最佳跳數(shù)，能夠調(diào)整和平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗；(2)檢測(cè)距離匯聚節(jié)點(diǎn)一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，有效的避免了熱節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象；(3)采用多個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的策略，大大減少了整個(gè)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2是圖1中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到新位置后的示意圖。

圖3是本發(fā)明中的成簇流程圖。

圖4是本發(fā)明中匯聚節(jié)點(diǎn)尋找新位置的流程圖。

具體實(shí)施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的多種實(shí)施方式。因此，以下具體實(shí)施方式和附圖僅是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說(shuō)明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。

結(jié)合圖1，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括由各圓點(diǎn)表示的無(wú)線傳感器，假設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)矩形區(qū)域，在感知區(qū)域內(nèi)部署了三個(gè)以三角形表示的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)s1、s2、s3，將每一個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成了分別以移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)s1、s2、s3為中心的三個(gè)簇集。結(jié)合圖2，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)s1、s2、s3均移動(dòng)到各自新的位置。

部署多個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)

如前所述，本發(fā)明在感知區(qū)域部署了三個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)s1、s2、s3，這些移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)均勻分布在感知區(qū)域之中。本發(fā)明中，以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心將感知區(qū)域劃分成了三個(gè)簇集，把匯聚節(jié)點(diǎn)看作簇頭節(jié)點(diǎn)，從而保證了簇頭節(jié)點(diǎn)的分布均勻。每個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)之間都能夠相互通信，并且能夠進(jìn)行自主性移動(dòng)。采用這種多移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的策略，能夠有效的實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平衡，延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

成簇階段

初始階段，本發(fā)明將每個(gè)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)簇集的簇頭節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要輪流向其相應(yīng)的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。通過(guò)以下移動(dòng)方法，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)一條鏈上的傳感器節(jié)點(diǎn)所消耗的能量相等，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

對(duì)于第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其傳輸一個(gè)長(zhǎng)度為l位的數(shù)據(jù)時(shí)，不僅要傳輸自己的數(shù)據(jù)一次，而且還要輪流傳輸i-1次其它所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)給其相應(yīng)的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)。則對(duì)于第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所需要的能量消耗的計(jì)算公式如下：

其中，eelec表示第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送器或者接收器發(fā)送或者接收每一位數(shù)據(jù)需要消耗的能量，表示第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸距離傳輸，當(dāng)di小于傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑時(shí)，α＝2，當(dāng)di大于傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑時(shí)，α＝4，εamp表示信道條件。

令ei＝ei+1，則可以得到如下公式：

其中，di+1表示到下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)的距離，又因?yàn)閐n>0，dn表示到第n各傳感器節(jié)點(diǎn)的距離，也就是說(shuō)：

所以必定滿足以下公式：

或者

根據(jù)上述公式就能得到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到其相應(yīng)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的最佳跳數(shù)n以及相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，其中d1表示到第一個(gè)鄰居的距離。

當(dāng)某一當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)需要向移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)首先確定其自身到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離，如果該距離小于其傳輸半徑，那么該當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)就與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信。否則，該當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)上述公式計(jì)算出其到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的最大的最佳跳數(shù)以及到下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)的最大距離，由于小于所述最大最佳跳數(shù)和小于所述到下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)最大距離的傳感器節(jié)點(diǎn)不止一個(gè)，因此，再在全部滿足小于所述最大最佳跳數(shù)和小于所述到下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)最大距離的傳感器節(jié)點(diǎn)中選出下一跳候選移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，使該候選移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離小于該當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離；由于，滿足到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的距離小于當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)距離的下一跳候選移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)有可能也不止一個(gè)，因此，再在這些下一跳候選移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)中選取剩余能量最大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為最終的下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)。

例如，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先確定源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離，如果距離小于節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑，那么源節(jié)點(diǎn)就與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信。否則，源節(jié)點(diǎn)i根據(jù)上述算法能夠確定到匯聚節(jié)點(diǎn)的最佳跳數(shù)以及到下一跳節(jié)點(diǎn)的距離，在符合這一條件的所有下一跳候選節(jié)點(diǎn)j中，再選出到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，即dj,bs＜di,bs，作為新的下一跳候選節(jié)點(diǎn)。最后，在這些下一跳的候選節(jié)點(diǎn)中選取剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)作為最終的下一跳節(jié)點(diǎn)。以此類推，直到最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。

匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)條件

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)收集完每輪數(shù)據(jù)后，本發(fā)明將進(jìn)一步考查與距離移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)一跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量。如果在距離移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)一跳的全部鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)中存在超過(guò)一定比例的的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于給定的能量閾值eth，例如有超過(guò)p％的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于給定的能量閾值eth則該移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)需要尋找新的位置，該新位置所在區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量富裕的區(qū)域，即在該新位置有超過(guò)1-p％的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量不低于給定的能量閾值eth。即該區(qū)域的剩余能量必須滿足e′th＝eth+αeth，其中0＜α＜1。如果該移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠找到上述新的位置，則移動(dòng)到該位置，如果該移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)未能找到符合所述剩余能量要求的新的位置，則動(dòng)態(tài)的調(diào)整給定的能量閾值eth，使eth＝βeth，其中0＜β＜1，直到找到滿足剩余能量要求的新位置，或者能量閾值eth調(diào)整到一個(gè)最小值emin，低于這個(gè)最小值emin便不再調(diào)整。

尋找移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)最佳移動(dòng)位置

本發(fā)明采用了增量環(huán)的方法尋找移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的新位置，把以移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)si為中心的簇集內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)都看作是新位置的候選節(jié)點(diǎn)，設(shè)置了一個(gè)參數(shù)nhops表示距離匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)為n的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果在距離移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)n跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有找到合適的新位置時(shí)，便會(huì)增加參數(shù)nhops的值，直到找到合適的位置為止，即nhops≤nmax，nmax為最大跳數(shù)。

移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)向距離為n跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求新位置的信息，當(dāng)這些鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)收到匯聚節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的請(qǐng)求信息時(shí)，這些鄰居節(jié)點(diǎn)便會(huì)向距離自己一跳的鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求剩余能量等級(jí)的信息。當(dāng)這些鄰居節(jié)點(diǎn)收到各自區(qū)域剩余能量等級(jí)的信息后，發(fā)送給移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)。

匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)所要移動(dòng)區(qū)域的剩余能量等級(jí)來(lái)判斷出最佳的移動(dòng)位置。如果在匯聚節(jié)點(diǎn)收到的這些區(qū)域的剩余能量等級(jí)中，只有一個(gè)區(qū)域的剩余能量等級(jí)是滿足條件的，即該區(qū)域內(nèi)一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量e′th＝eth+αeth，其中0＜α＜1，則匯聚節(jié)點(diǎn)就移動(dòng)到該區(qū)域sk作為新位置。如果存在多個(gè)區(qū)域的剩余能量等級(jí)滿足條件，那么就比較這些區(qū)域的剩余能量總和，然后取剩余能量總和最大值對(duì)應(yīng)區(qū)域作為匯聚節(jié)點(diǎn)最終的移動(dòng)位置。如果不存在合適的區(qū)域，就增大參數(shù)nhops，然后按照上述方法尋找匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的最佳區(qū)域。