一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法与流程

技术特征：

1.一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征是：所述的可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法包括簇建立阶段和数据传输阶段，同时针对簇首的数据传输策略，采用自适应簇首间数据传输机制，包括以下步骤：

(a)簇建立阶段：

(1)初始化每个节点的网络梯度值为0，节点类型为簇节点，记为CM；

(2)Sink节点发出分簇信号Partion_Cluster()；

(3)节点i，根据接收到的Partion_Cluster()信号强度计算节点i与Sink节点距离l_i，并根据距离l_i、剩余能量比RaRE(i)和能量收益GaE(i)更新网络梯度NetG(i)、用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)和竞争簇首的等待时间WTC(i)；

(4)将整个可充电无线传感器网络划分成多个不均匀的簇；

并根据上述得到的距离l_i、剩余能量比RaRE(i)和能量收益GaE(i)更新网络梯度NetG(i)、用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)和竞争簇首的等待时间WTC(i)将整个可充电无线传感器网分成多层，形成网络梯度NetG；处于同一梯度内的传感器节点具有相同的网络梯度值，表示NetG(i)＝m；其中，0≤m≤M，M为NetG的最大值；i为传感器节点的ID，1≤i≤|V｜，V为传感器节点的数量；

具有相同的NetG值的节点区域宽度定义为网络梯度的宽度BreG；对NetG＝m，其BreG表示为：

其中，L是传感器节点到Sink节点距离的最大值，α为BreG的调整参数，且0<α≤1；如果α值固定，那么m的值越小，相应的BreG_m的值也就越小；

(5)比较节点i的剩余能量E_res(i)和其邻居节点的平均剩余能量如果那么该节点就成为候选簇首节点；否则，该节点就成为簇节点；

(6)Sink节点发出簇首选择信号CH_Select()；

(7)依据WTC(i)和ATRC(i)，选择相应的候选簇首节点当选为最终的簇首节点；

(b)数据传输阶段：

(8)在一个数据收集周期结束后，簇首节点i计算其剩余能量E_res(i)和该簇内所有簇节点的平均剩余能量

(9)如果即簇首i的剩余能量大于该簇内所有簇节点的平均剩余能量，那么根据节点能耗模型，簇首i计算其直接发送所收集的数据到Sink节点所需要的能量

(10)如果表示在直接发送数据至Sink情况下，簇首i仍然处于充电状态，那么该节点采用直接通信的方式将数据传输给Sink节点；否则，将采用多跳的方式进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(4)中剩余能量比RaRE(i)具体为：

对于节点i，RaRE(i)定义为：

RaRE(i)＝E_res(i)/E_max(i)，

其中，E_max(i)表示节点i的可充电电池的最大容量；RaRE(i)的值越大，表明该节点的剩余能量越多。

3.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(4)中能量收益GaE(i)具体为：

对于节点i，GaE(i)定义为：

GaE(i)＝E_har(i)-E_con(i)，

其中，E_har(i)和E_con(i)分别表示一个时段内，节点i从外界获取的能量和消耗的能量；如果GaE(i)是个正数，则表明节点i在该时段内从外界获取的能量大于其消耗的能量；如果在该时段内，节点i的电池处于未饱和状态，则在该时段内节点i的电池处于充电的状态，否则，收获的多余能量将被丢失；如果GaE(i)是个负数，则表明节点i在该时段内从外界获取的能量小于其消耗的能量，节点处于耗能状态。

4.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(4)中用于竞争簇首的传输半径ATRC(i)具体为：

对于节点i，ATRC(i)定义为：

ATRC(i)＝β×r_ini×NetG(i)/M，

其中，β是传输半径调整因子，r_ini是节点的初始传输半径；m的值越大，ATRC(i)的半径也就越大。

5.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(4)中竞争簇首的等待时间WTC(i)具体为：

对于节点i，WTC(i)定义为节点i收到Sink节点发出的簇首竞争信息到其自身发射簇首竞争信息的等待时间，表示为：

其中，max(GaE(i))和min(GaE(i))分别表示节点i工作的历史数据中GaE(i)的最大值和最小值；RaRE(i)越大，WTC(i)越小，同样GaE(i)越大，WTC(i)越小。

6.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(5)中簇节点与簇首节点具体为：整个可充电无线传感器网络被分成多个簇，每个簇又有簇首节点和簇节点组成；簇节点的主要任务是环境信息的采集并将采集的信息发送给本簇的簇首节点；簇首节点的主要任务是接收本簇簇节点的数据并将这些数据通过直接通信或者多跳方式传输给Sink节点；同时，当采用多跳传输时，簇首节点还负责为相应簇的数据传输承担中继的任务；Sink节点的任务是收集整个网络的数据并将其提供给用户，同时负责复杂的计算和决策。

7.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，步骤(9)中节点能耗模型具体为：传感器节点传输k位数据到距离为d的节点所消耗的能量表示为：

传感器节点接收k位数据所消耗的能量为：

E_RX(k)＝E_elec×k；

其中，E_elec为对1位数据进行编码调制所消耗的能量；ε_fs和ε_mf是信号的传播损耗系数；参数n的值是由传输距离决定的，如果传输距离d小于阈值d₀那么n＝2，否则，n＝4；因此，如果节点没有足够的能量用于信息传输，那么传感器节点通过单跳直接与Sink节点通信的方式应当尽量地减少，而采用耗能较少的多跳短距离传输方式。

8.根据权利要求1所述的一种可充电无线传感器网络自适应分簇路由方法，其特征在于，M≥L/r_ini，L为节点与Sink节点距离的最大值；0.5≤β≤2。