仿蛛网无线传感器网络通信方法及无线传感器网络.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010043480.5 (22)申请日 2020.01.15 (71)申请人 河南科技大学 地址 471003 河南省洛阳市涧西区西苑路 48号 (72)发明人 王俊杜壮壮贺智涛毛鹏军 王甲甲张亚丹刘晓航 (74)专利代理机构 郑州睿信知识产权代理有限 公司 41119 代理人 吴敏 (51)Int.Cl. H04W 4/38(2018.01) H04W 40/32(2009.01) H04W 40/10(2009.01) H04W 40/20(2009.01) H04W 。

2、40/22(2009.01) H04W 84/18(2009.01) H04L 12/715(2013.01) (54)发明名称 一种仿蛛网无线传感器网络通信方法及无 线传感器网络 (57)摘要 本发明涉及一种仿蛛网无线传感器网络通 信方法及无线传感器网络， 属于无线传感器技术 领域。 网络包括中心节点以及分布在中心节点周 围的无线传感器节点， 各无线传感器节点和中心 节点构成通信区域； 所述通信区域中包括若干簇 头区， 所述簇头区为两条以中心节点为起点的设 定夹角的射线与通信区域边缘所围成的区域； 簇 头区内的无线传感器节点选举产生簇头， 同一簇 头区内的各簇头与中心节点在同一直线上或同 一。

3、直线两侧设定范围内； 非簇头的无线传感器节 点通过簇头与中心节点通信。 本发明通信网络的 通信链路具有类似蛛网的可替代性和抗毁性， 同 时能够降低簇头节点的能量消耗。 权利要求书1页 说明书9页 附图6页 CN 111263323 A 2020.06.09 CN 111263323 A 1.一种仿蛛网无线传感器网络通信方法， 其特征在于， 网络包括中心节点以及分布在 中心节点周围的无线传感器节点， 各无线传感器节点和中心节点构成通信区域； 所述通信 区域中包括若干簇头区， 所述簇头区为两条以中心节点为起点的设定夹角的射线与通信区 域边缘所围成的区域； 簇头区内的无线传感器节点选举产生簇头， 同。

4、一簇头区内的各簇头 与中心节点在同一直线上或同一直线两侧设定范围内； 非簇头的无线传感器节点通过簇头 与中心节点通信。 2.根据权利要求1所述的仿蛛网无线传感器网络通信方法， 其特征在于， 所述簇头区在 设定条件后绕中心节点旋转， 簇头从旋转后的簇头区中重新选举出， 同一簇头区内的重新 选出的各簇头与中心节点在同一直线上或同一直线两侧设定范围内； 旋转的原则包括， 旋 转后的簇头区不与旋转前的任意簇头区重叠。 3.根据权利要求2所述的仿蛛网无线传感器网络通信方法， 其特征在于， 所述簇头区根 据与中心节点的距离进行分层， 各个簇头区的每层中均至少选出一个簇头； 各层的簇头与 同一簇头区中相邻且。

5、距离中心节点更近的层的簇头通信。 4.根据权利要求3所述的仿蛛网无线传感器网络通信方法， 其特征在于， 同一簇头区距 离基站近的分层的径向距离小于距离基站远的分层的径向距离； 所述径向距离指过中心节 点的直线穿过簇头区各层后， 被簇头区各层截取的距离。 5.根据权利要求14任一项所述的仿蛛网无线传感器网络通信方法， 其特征在于， 选 举出新的簇头的条件包括节点剩余能量多。 6.根据权利要求24任一项所述的仿蛛网无线传感器网络通信方法， 其特征在于， 所 述设定条件包括， 一定的通信次数或一定的时间。 7.一种仿蛛网无线传感器网络， 其特征在于， 网络包括中心节点以及分布在中心节点 周围的无线传。

6、感器节点， 各无线传感器节点和中心节点构成通信区域； 所述通信区域中包 括若干簇头区， 所述簇头区为两条以中心节点为起点的设定夹角的射线与通信区域边缘所 围成的区域； 簇头区内的节点选举产生簇头， 同一簇头区内的各簇头与中心节点在同一直 线上或同一直线两侧设定范围内； 非簇头的无线传感器节点通过簇头与中心节点通信。 8.根据权利要求7所述的仿蛛网无线传感器网络， 其特征在于， 所述簇头区在设定条件 后绕中心节点旋转， 簇头从旋转后的簇头区重新选出， 同一簇头区内的重新选出的各簇头 与中心节点在同一直线上或同一直线两侧设定范围内； 旋转的原则包括， 旋转后的簇头区 不与旋转前的任意簇头区重叠。 。

7、9.根据权利要求8所述的仿蛛网无线传感器网络， 其特征在于， 所述簇头区根据与中心 节点的距离进行分层， 各个簇头区的每层中均至少选出一个簇头； 各层的簇头与同一簇头 区中相邻且距离中心节点更近的层的簇头通信。 10.根据权利要求9所述的仿蛛网无线传感器网络， 其特征在于， 所述簇头区距离基站 近的分层的径向距离小于距离基站远的分层的径向距离； 所述径向距离指过中心节点的直 线穿过簇头区各层后， 被簇头区各层截取的距离。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111263323 A 2 一种仿蛛网无线传感器网络通信方法及无线传感器网络 技术领域 0001 本发明涉及一种仿蛛网无线传感器网络通信方法。

8、及无线传感器网络， 属于无线传 感器技术领域。 背景技术 0002 随着智慧地球概念的提出， 智能监测技术得到了快速发展， 具有感知能力、 计算能 力， 自组织能力的无线传感器网络关键技术研究取得巨大进步， 无线传感器网络技术具有 易于布置、 通信灵活等优势， 应用无线传感器网络进行实时监测已成为工业监控、 城市管 理、 智能家居、 精准农业等领域中的有效监控方法。 但无线传感器网络节点的部署具有规模 大、 拓扑易变， 环境差异大等特点， 节点能量受到限制， 存在局部节点能耗过快导致全网性 崩溃的故障风险， 如何保证全网节点能量均衡的消耗是急需解决的关键性问题。 0003 在现代化农业中， 用。

9、于监测农田各区域温湿度等参数的农田传感器节点需自备储 能电源， 传感器节点除了采集还要作为中继保证采集到的数据传递到有可靠供电的基站， 由于部分传感器节点的位置的原因， 这样的无线传感器网络存在能量消耗不均匀的问题， 且当部分频繁作为中继的传感器节点电量耗尽死亡后， 传感器网络可能出现通信阻塞、 通 信链路中断甚至全网通信崩溃的问题。 且在部分节点耗尽死亡后， 死亡节点周围的节点便 会承担更多的信息收发任务， 此时会造成严重的能量消耗不均衡， 加快网络的崩溃。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种仿蛛网无线传感器网络通信方法及无线传感器网络， 用 于解决现有无线传感器网络存在部分节点失效。

10、后容易造成通信阻塞、 通信链路中断的问 题， 同时解决了部分节点能量消耗过快的问题。 0005 为实现上述目的， 本发明的方案包括： 0006 本发明的一种仿蛛网无线传感器网络通信方法及仿蛛网无线传感器网络， 网络包 括中心节点以及分布在中心节点周围的无线传感器节点， 各无线传感器节点和中心节点构 成通信区域； 所述通信区域中包括若干簇头区， 所述簇头区为两条以中心节点为起点的设 定夹角的射线与通信区域边缘所围成的区域； 簇头区内的无线传感器节点选举产生簇头， 同一簇头区内的各簇头与中心节点在同一直线上或同一直线两侧设定范围内； 非簇头的无 线传感器节点通过簇头与中心节点通信。 0007 蛛网。

11、结构具有较强的抗毁特质， 能够将网面破损对振动信息传输的影响限制在破 损区域一定范围内， 而基于对人造蛛网的研究以及将蛛网拓扑结构应用于通信网络的研 究， 通信网络中类似蛛网拓扑结构的通信链路的冗余特性类似蛛网的抗毁特质。 0008 本发明中， 通信网络中采用簇头依次转发传感器节点的信息到中心节点， 簇头区 内的簇头沿着穿过中心节点的直线布置， 形成类似蛛网结构中的径向线， 传感器节点就近 通过单跳或多跳与簇头区内合适的簇头通信， 簇头接收传感器信息在簇头区内沿着的簇头 形成的 “径向线” 逐级向中心节点传输。 本发明中仿蛛网通信网络中沿径向线向中心节点传 说明书 1/9 页 3 CN 111。

12、263323 A 3 输数据的通信方法， 可有效解决通信堵塞、 单一链路失效、 通信中断等问题。 由于向中心节 点进行通信传输的任务主要由簇头承担， 一个区域普通传感器节点的死亡不会造成后面更 大范围的传感器节点失效； 簇头承担大量的与中心节点通信的任务， 可以配置较大的储能 模块， 同时， 选择沿着中心节点所在直线或靠近中心节点所在直线的区域布设簇头， 可有效 缩短簇头之间的传输路径， 从而降低能量消耗。 0009 因此本发明中的通信链路具有类似蛛网的可替代性和抗毁性， 同时能够降低簇头 节点的能量消耗。 0010 作为对通信方法及传感器网络的进一步改进， 所述簇头区在设定条件后绕中心节 点。

13、旋转， 簇头从旋转后的簇头区中重新选举出， 同一簇头区内的重新选出的各簇头与中心 节点在同一直线上或同一直线两侧设定范围内； 旋转的原则包括， 旋转后的簇头区不与旋 转前的任意簇头区重叠。 0011 本发明针对簇头候选区(簇头区)加入了动态调整机制， 簇头承担与中心节点的通 信任务， 耗能大， 定期动态旋转簇头候选区， 可以保证在簇头任务由普通传感器节点选出承 担的情况下不会长期由少数部分传感器节点始终承担， 保证各传感器节点均有机会被选为 簇头， 有效减少单个节点能量消耗过快的缺陷， 有利于传感器网络的能量均衡消耗， 积极促 进网络寿命的延长。 0012 作为对通信方法及传感器网络的进一步改。

14、进， 所述簇头区根据与中心节点的距离 进行分层， 各个簇头区的每层中均至少选出一个簇头； 各层的簇头与同一簇头区中相邻且 距离中心节点更近的层的簇头通信。 0013 同一簇头候选区内按照到中心节点的距离分层， 保证簇头与中心节点通信时数据 层层均匀传递， 不至于点对点的一次传输距离过长影响通信可靠和耗能过大。 0014 作为对通信方法及传感器网络的进一步改进， 同一簇头区距离基站近的分层的径 向距离小于距离基站远的分层的径向距离； 所述径向距离指过中心节点的直线穿过簇头区 各层后， 被簇头区各层截取的距离。 0015 距离中心节点距离越近的区域， 单位面积需要承担的转发任务量就越大， 均匀分 。

15、层的条件下就会使靠近中心节点的簇头能耗大， 本方案通过减小靠近中心节点的分层厚度 (即切割径线的长度)来使靠近中心节点的簇头转发距离降低， 来减小能耗， 同时使得靠近 中心节点的簇头候选区分层面积更小， 相比靠外的分层， 在一定之间内会有更多的传感器 节点担任簇头， 进一步保证各传感器节点能耗均匀。 0016 作为对通信方法及传感器网络的进一步改进， 选举出新的簇头的条件包括节点剩 余能量多。 0017 优先选举剩余能量多的传感器节点担任簇头， 进一步保证各传感器节点能耗均 匀。 0018 作为对通信方法及传感器网络的进一步改进， 所述设定条件包括， 一定的通信次 数或一定的时间。 附图说明 。

16、0019 图1是人造蛛网示意图； 0020 图2是剪除双数层螺旋线后的人造蛛网示意图； 说明书 2/9 页 4 CN 111263323 A 4 0021 图3是本发明无线传感器网络示意图； 0022 图4是本发明无线传感器网络信息传输示意图； 0023 图5是本发明簇头候选区示意图； 0024 图6是本发明分层策略示意图； 0025 图7是本发明簇头候选区分层示意图。 具体实施方式 0026 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。 0027 方法实施例： 0028 本发明基于对人工蛛网振动规律的研究， 提出了一种仿蛛网无线传感器网络通信 方法。 0029 人工蛛网结构如图1所示， 包括径向。

17、线11、 螺旋线12和节点13， 径向线交汇于中心 点10， 径向线11张紧后， 以径向线11为基础环绕布置螺旋线12(自然界中的蛛网上， 螺旋线 以中心点10为起点螺旋向外布置， 人工蛛网的螺旋线简化为多个以中心点10为圆心的同心 圆， 或者更准确的说是多边形)。 0030 使用例如公布号为CN108572114A专利文件记载的装置构建人工蛛网进行实验， 通 过例如一定高度落下的小球撞击人工蛛网对应位置来激发人工蛛网的振动， 观测人工蛛网 不同区域或结构的振动频率和振幅来研究人工蛛网振动传输情况， 并总结出蛛网结构的振 动传输规律如下： 0031 (1)蛛网结构的振动分层规律。 节点13和螺。

18、旋线12的振动峰峰值随层数的变化关 系经拟合得公式1， 其中， y1和y2分别代表节点和螺旋线的振动峰峰值， n代表层号(n1,2, 3,4,5， 层号越小越靠近中心节点； 此处应当注意， 人造蛛网的层指的是由不同螺旋线12 确定的层， 与下文无线传感器网络中， 簇头候选区中分出的层不同)， 由式(1)可知， 节点和 螺旋线振动峰峰值与层数之间存在指数变化关系。 0032 0033 进一步剪除2、 4、 6、 8、 10层螺旋线后， 例如图2所示(图2仅示出了7层的人造蛛网剪 除了2、 4、 6层)， 1、 3、 5、 7、 9、 11层上节点和螺旋线振动峰峰值随层数的变化关系如公式(2)， 。

19、其中， y3和y4分别代表剪除偶数层螺旋线后， 节点和螺旋线的振动峰峰值。 分析可知， 随着相 邻螺旋线距离增大， 节点和螺旋线的振动峰峰值变化规律由全网时的2次多项式变成4次多 项式， 振动幅度远大于全网时(网面完整时)， 可知， 节点和螺旋线的振动变化与距离密切相 关， 即距离存在一个阈值d(Distance， d)， 当节点间间距小于d时节点和螺旋线的振动表现 出2次方的形式， 当间距大于d时节点和螺旋线的振动表现出4次方的形式。 0034 0035 通过上述研究可知， 全网时， 蛛网振动分层且具有2次函数下降的规律； 随着螺旋 线的部分剪除， 节点间间距增大， 蛛网振动分层且具有4次函。

20、数下降的规律， 可知， 这种函数 下降规律与层间距d的大小设置具有相似的演变规律， 或与节点间的跳数(Single-hop单 跳， multi-hop多跳)具有联系(如图1中全网时， 震动从节点131经过节点132两跳传递到节 说明书 3/9 页 5 CN 111263323 A 5 点133； 而如图2所示剪除掉部分螺旋线的人造蛛网， 剪除掉的螺旋线与径向线相交形成的 节点132同时消失， 震动信息从节点131直接单挑传递到节点133)， 蛛网上振动分层规律探 究总结可为无线传感器网络分层策略提供有益借鉴。 0036 (2)蛛网节点、 径向线振动幅度较大， 具有中心集聚和分簇规律。 人工蛛网。

21、节点、 径 向线所承担的振动分别远大于螺旋线， 同时， 内层节点、 链路振动幅度远大于外层， 表明内 层中枢区节点的层次位置和振动传递功能与簇头近似， 簇头收发的信息量远大于外围普通 节点。 螺旋线的振动转发功能， 在内层与簇头节点间对等高效通信链路类似； 在外层则与普 通节点间为确保网络覆盖度和连通性， 减小通信拥塞的辅助通信链路相似。 基于对蛛网不 同位置节点、 链路、 振动幅度变化范围的深刻总结可为无线传感器网络开发径向链路为主 的信息路由机制、 动态分簇机制、 簇头更换机制提供理论依据。 0037 (3)人工蛛网除具备纵向振动幅度， 同时还存在横向振动值。 人工蜘蛛网不仅存在 与蛛网平。

22、面垂直方向的振动， 而且沿平行于网面的方向同样存在着轻微的横向振动， 螺旋 线的横向振动规律与节点的纵向振动规律大体一致， 均是从内到外振动逐渐衰减。 横向振 动规律的发现可为网络的冗余特性， 备选路径选择提供一种思路， 节点优先选择最短路径 进行信息传输， 当无法以最短的路径通信时， 可通过搜索最近相邻的同层节点作为备选路 径传输。 0038 (4)剪除螺旋线后导致节点消失， 剩余节点承担了更多的振动， 也表明传感器网络 中节点消失后剩余节点承担更多的监测和传输任务。 随着节点消失的数目增多， 人工蜘蛛 网的振动强度逐渐增大， 表明， 遭受节点严重破坏时， 人工蜘蛛网进行自主调节， 人工蜘蛛。

23、 网可以将遭受破坏的网面对周边节点振动传输的影响限定在有限的范围内， 保证振动信息 的有效传输。 在传感器网络中， 节点失效后， 失效节点周围的节点便会承担更多的信息收发 任务， 此时会造成严重的能量消耗不均衡， 加快网络的崩溃。 0039 通过总结归纳蜘蛛网振动信息传输方式， 抽象蛛网振动信息传输机制机理， 本发 明提出一种能有效延长网络寿命的仿蛛网的分层分簇无线传感器网络及通信方法。 0040 无线传感器网络如图3所示， 包括基站20、 簇头23、 传感器节点24， 簇头23通过簇间 通信21向其他簇头或基站20传送数据， 传感器节点24通过单跳或多跳的节点通信22向簇头 传送数据。 00。

24、41 传感器节点24布置在基站20周围， 形成以基站20为中心通信区域， 通信区域覆盖 全部传感器节点。 以基站为中心向外发出的两条射线上或射线两侧的设定范围内的传感器 节点选为簇头(或者在以基站为中心的十字交叉的两条直线上布设专用的簇头)， 从基站20 出发， 由近及远依次连接一个方向上的簇头节点， 形成一个簇头通信链路， 簇头通信链路所 在区域形成簇头区； 作为其他实施例， 还可以以基站为中心设置更多的簇头区和簇头通信 链路， 簇头通信链路应当在传感器节点中间均匀布置。 0042 传感器节点24与就近的簇头通信链路上的簇头23通信连接， 若传感器节点距簇头 距离较远大于设定值， 则可以选择。

25、其他传感器节点作为中继节点采取双跳或多跳的方式与 簇头通信。 0043 簇头23沿簇头通信链路， 向相邻更接近基站的簇头传输数据， 最终由与基站相邻 的簇头将数据传输给基站。 0044 具体的传输路径以农田无线传感器网络为例， 如图4所示， 农田中的传感器节点直 说明书 4/9 页 6 CN 111263323 A 6 接或通过其他传感器节点(中继节点)将采集到的温、 湿度数据发送给邻近的簇头， 邻近簇 头再将接收到的数据发送给所属簇头通信链路中的内层簇头(邻近内层簇头)， 最终发送到 该簇头通信链路中与基站相邻的簇头(第1层簇头)， 最后由第1层簇头将接收的采集数据传 输到基站。 0045 。

26、同一簇头通信链路上， 靠近中心节点的相邻簇头的间距小于远离中心节点的相邻 簇头的间距， 即簇头通信链路上距离中心节点越近的位置簇头越密集。 0046 本发明的仿蛛网无线传感器网络通信方法， 包括普通节点通过单挑或多跳将采集 的数据传输给附近的簇头节点， 簇头节点直接或通过相邻的更接近基站的簇头节点向基站 发送所采集的数据。 0047 进一步的， 还可以加入定时簇头动态改变的策略， 具体包括如下步骤。 0048 步骤1： 建立动态旋转簇头候选区(簇头区)。 0049 为均衡节点能耗， 采用动态旋转簇头候选区周期性选举更换簇头候选区策略， 如 图5所示， 在一个圆形的监测区域(设置有传感器节点的通。

27、信区域)内， 圆心位置设定为基站 (BS)， 基站能量不受限制， 基站主要接收圆形监测区域内传感器采集的数据信息。 动态旋转 簇头候选区建立过程： 0050 (1)依据监测面积大小和传感器节点分布情况确定一个圆形监测区域， 并将圆形 监测区域中心位置设定为基站， 用于对监测区域内簇头节点的信息收集整合。 0051 (2)在确定圆形监测区域的面积之后， 将其运用笛卡尔坐标系表示， 其中， 基站的 坐标为(0,0)。 0052 (3)确定簇头候选区的个数warea和每一个簇头候选区的所占的角度数 。 0053 (4)将一条以原点(0,0)为起点的射线， 以x轴为起点旋转 角度作为第一个簇头候 选区。

28、1的起始边， 再旋转 角度作为第一个簇头候选区1的终止边， 起始边与终止边以及圆形 监测区域的边界围成第一个簇头候选区1， 将第一个簇头候选区1的轮廓继续旋转360/warea 得到第二个簇头候选区2， 继续旋转360/warea得到第三个簇头候选区3， 继续旋转360/warea得 到第四个簇头候选区4， 直至完全确定warea个簇头候选区。 0054 (5)在完成一次信息采集后或设定时间间隔后， 动态旋转各个簇头候选区， 原第一 个簇头候选区1由原始位置逆时针旋转角度变成新的第一簇头候选区1 ， 同理原第二、 三、 四、 warea簇头候选区(2、 3、 4、 )由原始位置逆时针旋转角度变。

29、成新的第二、 三、 四、 warea簇头候选区(2 、 3 、 4 、 )。 每一次信息收集后或设定时间间隔后， 均会更换新 的簇头候选区用于选举产生新的簇头， 动态旋转簇头候选区的建立可有效减少单个节点能 量消耗过快的缺陷， 有利于能量均衡消耗， 积极促进网络寿命延长。 0055 动态旋转簇头候选区数学模型描述如公式(3)所示， kch表示簇头所在区域面积占 整个监测区域的比例系数(即簇头候选区域角度之和占整个圆形监测区域360度的比例系 数)， 簇头候选区的个数warea表示将圆形监测区域划分簇头候选区的分区个数， 表示所有 簇头候选区的角度之和， 表示每一个簇头候选区的角度， 表示调整簇。

30、头候选区位置所要 旋转的角度。 说明书 5/9 页 7 CN 111263323 A 7 0056 0057 公式(3)确定了簇头候选区在本次旋转后不会与本次旋转前的自身相重叠， 也不 会与本次旋转前的其他簇头候选区相重叠， 防止部分传感器节点连续被选举为簇头， 导致 能量消耗不均衡。 公式(3)是为了防止簇头候选区在连续的两到三次旋转中， 使部分传感器 节点被重复纳入簇头候选区； 当然， 在簇头候选区多轮旋转后， 大多数或全部传感器节点都 进入过簇头候选区参与过簇头选举后， 还是会重新将最初簇头候选区中的传感器节点纳入 新的簇头候选区。 0058 步骤2： 簇头候选区分层策略。 0059 簇。

31、头候选区确定后， 为进一步实现能耗均衡， 在簇头候选区确定的基础上进一步 建立分层， 如图6所示， 以圆形监测区域的中心(基站所在位置)为圆心， 画出多个同心圆， 相 邻两个同心圆的半径之差随着同心圆半径的增加而越来越大。 即图6中， R5R4R3R2R1， R1 R5代表了相邻两个同心圆的半径之差。 同心圆的圆弧能够将簇头候选区分隔出多层。 0060 如图7所示， 图6所示的4个同心圆将扇形的簇头候选区1、 2、 3、 4分别分隔出5层， 每 层形成一个小区域， 称为簇头候选域。 0061 距离基站越近的区域内的节点需要承担的转发任务量越大， 通过改变不同位置上 簇头候选域的面积， 改变不同。

32、位置上竞选单位数量簇头的节点数量， 减小接近基站的区域 (簇头候选域)的面积， 可减少竞选同一簇头的节点， 使更多节点有机会当选簇头， 增加了基 站附近区域的簇头密度， 可有效弥补靠近基站的簇头的能量消耗过快的缺陷。 建立分层策 略如公式(7)， 其中R1为第1层同心圆的半径， 第1层同心圆半径是预先给定值， Ri为第i层同 心圆半径， r0为预先设置的第1层同心圆半径值， i代表层号， 为半径系数。 0062 0063 依据上述分层策略的定义， 可计算得出第i层面积如公式(8)所示， 0064 0065 结合动态旋转簇头候选区和分层策略， 便可将圆形监测区域分割成一个个小的簇 头候选域， 每。

33、一个小的簇头候选域里通过簇头竞选机制竞选出一个簇头， 这样一个圆形监 测区域内便包含了一个个分散开的簇头， 这些簇头主要用于收集簇内节点的信息并将收集 到的信息转发至基站。 0066 步骤3： 在簇头候选域内部选举簇头。 0067 簇头候选域确定后， 如何选举合适的簇头成为关键性问题。 基于蛛网径向振动幅 度大的特点， 优先选择沿着径向线或靠近径向线的节点成为簇头， 可有效缩短簇头之间的 传输路径， 从而降低能量消耗。 故同时考虑到簇头区域中线的距离因子D(n， m)和节点剩余 能量因子E(r， i)作为选举簇头的关键性判据， 如公式(9)所示， 其中Eremaining表示节点剩余 能量， 。

34、Einitial表示节点初始能量， Dmax表示簇头候选区最大弧长的一半， Di(node， middle)代表候 选区内节点到中线的距离。 CHed表示簇头选举因子， 可知， 簇头选举因子CHed由距离因子D 说明书 6/9 页 8 CN 111263323 A 8 (n,m)和节点剩余能量因子E(r， i)两部分组成， CHed越大， 成为簇头的可能性越大， 如公式 (10)所示。 0068 0069 CHed E(r， i)+(1- )D(n， m),0 1 (10) 0070 通过公式(9)和(10)确保优先选举剩余能量多的以及距离穿过圆形监测区域圆心 的径向线近的节点， 为调节参数，。

35、 越大则节点剩余能量占簇头选举因素的比重越大， 节点 位置占簇头选举因素的比重越小； 越小则节点剩余能量占簇头选举因素的比重越小， 节点 位置占簇头选举因素的比重越大。 0071 步骤4： 簇内通信。 0072 簇头选举出来后， 簇头附近节点与簇头进行通信。 通信实现过程如下： 0073 (1)首先簇头广播消息HELLO至附近设定范围内每一个节点， 节点接收到簇头消息 并计算到簇头的距离， 收到多个簇头发来HELLO消息的节点优选一个距离近的簇头或能量 能大的簇头。 0074 (2)得到节点到簇头的距离， 若节点到簇头距离小于d0(d0代表两节点间通信的最 佳距离)， 则普通节点与簇头采用单跳。

36、方式通信， 若距离大于d0， 则进入邻近节点信息判断 程序， 即步骤(3)。 0075 (3)通过判断相邻节点的剩余能量及相邻节点与簇头的距离， 优先选择剩余能量 多及距离近簇头者进行转发传输， 即距离大于d0时， 节点采用多跳的方式经选出的中继节 点传输给簇头。 0076 通过单跳与多跳并行的通信方式， 可有效降低簇内节点因距离簇头过远而带来的 能量过多消耗。 0077 步骤5： 簇间路由。 0078 簇头将周围节点的信息收集融合后， 需要转发至基站， 簇头与基站的通信包含2种 形式： 0079 (1)第1种是簇头靠近基站(簇头所在簇头候选域为最内层簇头候选域)， 直接与基 站通信； 008。

37、0 (2)第2种是采用簇间多跳方式传输数据， 即每个簇头需先将信息传输给相邻内层 簇头节点， 直到传输给最内层簇头候选域中的簇头， 经过几番簇头节点的中转传输才可将 数据转发至基站， 因簇头选举过程即选择了一条优化后的近似径向路径， 这大大降低了簇 间传输数据的能耗。 0081 下面通过以下实例对本发明的簇头候选区动态旋转方法进行进一步说明： 0082 (1)建立动态旋转簇头候选区， 根据实际传感器节点部署密度要求， 将圆形监测区 域坐标化， 设置圆形监测区域中心位置为基站(BS)， 坐标为(0,0)， 依据实际部署情况在圆 形监测区域中建立4个如图5所示的簇头候选区1、 2、 3、 4。 在。

38、完成一次信息采集后， 动态旋转 簇头候选区， 原簇头候选区1、 2、 3、 4由原始位置逆时针旋转角度变成新的簇头候选区1 、 2 、 3 、 4 。 每一次信息收集后， 均会更换新的簇头候选区用于选举产生新的簇头。 0083 (2)进行分层， 为了准确定义每一个簇头候选域的大小位置， 在簇头候选区确定之 说明书 7/9 页 9 CN 111263323 A 9 后， 需要将圆形监测区域进行分层， 基于能耗均衡原则， 考虑到距离基站越近， 节点需要承 担的转发任务越大， 故设定候选簇头的竞争半径(簇头候选域的大小)正比于到基站的距 离， 给定第1层半径R1为具体数值r0， 给定半径系数 为具体。

39、数值， 随之确定簇头候选域的面 积。 0084 (3)形成簇头候选域， 基于动态旋转簇头候选区的建立和分层方案实施， 扇形的动 态旋转簇头候选区被分层所截成为一个个簇头候选域。 0085 (4)在每一个簇头候选域中选举簇头， 簇头候选域确定之后， 基于距离因子D(n,m) 和节点剩余能量因子E(r， i)， 计算出每一个簇内节点的簇头选举因子CHed， 通过比较得出簇 头选举因子最大值者当选簇头。 当选簇头后的节点发广播数据包HELLO告知簇内节点， 簇头 选举结束。 0086 (5)簇内通信， 首先判定附近节点与簇头的距离， 当距离小于d0时， 节点直接与簇 头节点通信； 当距离大于d0时，。

40、 通过判断相邻节点的剩余能量及相邻节点与簇头的距离， 优 先选择剩余能量多及距离近簇头者进行中继传输， 即距离大于d0时， 节点采用多跳的方式 经中继节点传输给簇头。 簇内节点通过单跳与多跳并行的通信方式， 直至节点将信息传输 至簇头节点。 0087 通信能耗模型依据如下， 忽略节点在计算、 存储等过程中的能量消耗， 仅计算通信 能耗。 在传输mbit信息经过距离d的过程中， 发送端能量消耗为Es(m， d)， 具体包含Esor和Ea两 部分， 其中， Esor代表数据在发送电路和接收电路消耗的能量(见公式11)， Ea代表传输mbit 信息时放大器的能量消耗(见公式12)， m为发送二进制数。

41、据的位数， d为节点间的传输距离， d0为一阈值， 取值为100m， 即定义为节点单跳通信的最大距离为100m， 若发送节点与接收节 点的传输距离小于d0100m， 发送方发送数据的能量消耗与距离的平方成正比， 否则成四 次方正比。 Eelec为射频能耗系数， 取值为50nJ/bit，fs和 mp为不同信道传播模型下的功率放 大电路的能耗系数， 取值分别为10(pJ/bit)/m2和0.0013(pJ/bit)/m4。 0088 EsorEelecm (11) 0089 0090 0091 节点接收端的能量消耗如公式(14)所示: 0092 ErEelecm (14) 0093 (6)簇间通信。

42、， 簇间通信分为两种情况， 第一种是与基站相邻的簇头节点(第1层簇 头节点)直接将信息采用单跳通信的方式传输给基站； 另一种情况则是外层的簇头节点， 如 第i层， i2， 则需要将信息首先传输给i-1层， 继而由i-1层传输至i-2层， 直至到第1层， 再 通过第一种方式传给基站。 0094 (7)当基站完成一轮信息收集后， 进入休眠期， 当再次唤醒节点工作时， 簇头选举 区域进行变化， 由原位置旋转角度至新一轮的簇头选举区。 0095 (8)重复执行步骤17， 直至网络出现大面积节点死亡。 0096 网络实施例： 说明书 8/9 页 10 CN 111263323 A 10 0097 本发明。

43、的仿蛛网无线传感器网络采用了上述方法实施例中本发明的仿蛛网无线 传感器网络通信方法， 本发明的仿蛛网无线传感器网络结构及通信方法已在方法实施例中 介绍的足够清楚， 此处不再赘述。 说明书 9/9 页 11 CN 111263323 A 11 图1 说明书附图 1/6 页 12 CN 111263323 A 12 图2 说明书附图 2/6 页 13 CN 111263323 A 13 图3 说明书附图 3/6 页 14 CN 111263323 A 14 图4 说明书附图 4/6 页 15 CN 111263323 A 15 图5 图6 说明书附图 5/6 页 16 CN 111263323 A 16 图7 说明书附图 6/6 页 17 CN 111263323 A 17 。