CN108834195B - 簇状网络结构中的簇合并方法及其模块与微控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于簇状网络结构中的簇合并方法，该簇合并方法包括以下步骤：在一个簇通信周期开始时，设定簇内最大的成员数量并确定簇内实际的成员数量；该簇的簇头向一跳范围内的邻居节点广播hello包，并通过一个簇通信周期内该邻居节点的回复包数量确定出该邻居节点的数量。本发明还涉及一种执行该簇合并方法的数据采集处理模块以及一种设置有该数据采集处理模块的微控制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于簇状网络结构中的簇合并方法，该簇合并方法包括以下步骤：在一个簇通信周期开始时，设定簇内最大的成员数量并确定簇内实际的成员数量；该簇的簇头向一跳范围内的邻居节点广播hello包，并通过一个簇通信周期内该邻居节点的回复包数量确定出该邻居节点的数量。本发明还涉及一种执行该簇合并方法的数据采集处理模块以及一种设置有该数据采集处理模块的微控制器。
背景技术
无线传感器网络的应用越来越广泛，特别是在工业领域，已有大量的网络应用到监测和控制中。随着无线传感器网络的发展，网络的拓扑结构也从简单的星型网络到复杂的MESH网络逐渐呈现多样化，其中簇状树形网络拓扑在众多实际应用中由于其简单实用而被大量使用。簇状树形网络提供了一种降低网络能耗，便宜网络规模扩展的方法。
CN 107690167公开了一种可扩展的无线传感器网络分簇方法，本发明的目的是减少网络重建所带来的能耗问题，提供一种可扩展的无线传感器网络分簇方法。首先，在候选簇首的选举过程中，考虑到网络中节点的剩余能量；其次，在簇首的选举过程中，考虑到候选节点的剩余能量、候选簇首的邻居节点数、各节点到候选簇首的价值度等因素，有利于延长网络的生命周期。另外，当簇内的平均能量大于某个阈值时，不需要再全网范围内进行重新分簇，只需要在簇内选举出新的簇首即可。最后，当有新的节点加入网络时，引入入网许可值，通过对节点的位置分布、簇头节点的能量、以及相应簇的负载值的考虑，选择节点所要加入的簇。
然而，在上述簇状结构中，簇头在维护和管理簇成员的同时会产生一定的开销，所以当网络中节点密度过小时，如果网络中节点间通信仍通过簇头来进行通信，其网络开销会高于节点间直接通信所花费的开销。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于簇状网络结构中的簇合并方法。通过这一簇合并方法，能够将相距较近，簇大小较小的簇进行合并，从而能够有效地避免网络资源的浪费。
根据本发明，该簇合并方法包括以下步骤：
a)在一个簇通信周期开始时，设定簇内最大的成员数量并确定簇内实际的成员数量；
b)该簇的簇头向一跳范围内的邻居节点广播hello包，并通过一个簇通信周期内该邻居节点的回复包数量确定出该邻居节点的数量；
c)计算该簇头的节点密度参数D(i)和簇大小参数M(i)，其中D(i)＝Nnb(i)/Nmax(i)，M(i)＝Nmb(i)/Nmax(i)；
d)当该簇头检测到该节点密度参数D(i)>1且该簇大小参数M(i)<0.5时，簇合并机制启动；
e)簇合并机制启动之后，该簇头广播一个簇合并请求包给该邻居节点，一旦该邻居节点中的另一个簇头回复了该请求包，这两个簇将合并成一个新簇，同时选择这两个簇头中拥有更小簇头能力参数值A(i)的一个作为新簇头，其中
Pt是发送功率，Pr(i,j)是该簇头接收到来自该另一个簇头的回复时的接收功率。
根据本发明的簇合并方法，该方法根据节点密度D(i)和簇大小参数M(i)，确定是否要进行簇合并，从各簇之间的距离和簇的大小两个维度进行判断，将两个距离较近的、簇大小参数低于N的簇合并，这样可以有效避免对网络资源的浪费。此外，簇头广播一个簇合并请求包给直接邻居表中的相邻簇头，如果簇头收到一个来自簇头的同意合并的回复包，则簇头计算自己的簇头能力参数A(i)，同时，簇头计算自己的簇头能力参数A(j)，值较小的簇头作为新的簇头。本发明根据簇头能力作为新簇头的判断条件，具体的，是根据节点的发送功率和接收功率确定该节点的平均功率损耗，A值越小，平均功率损耗越小。由此可见，本发明的簇头选取规则更为合理、有效。
根据本发明的有利设计方案，该邻居节点的回复包中包含包头，该包头标记出普通簇成员和簇头。
根据本发明的有利设计方案，该普通簇成员还包括相邻簇的簇成员。
根据本发明的有利设计方案，将包头标记有簇头的邻居节点记录在直接邻居表中。
根据本发明的有利设计方案，计算出相邻簇的簇头数量。
根据本发明的有利设计方案，该簇头广播一个簇合并请求包给该直接邻居表中的相邻簇头。
根据本发明的有利设计方案，新簇头向一跳范围内的邻居节点发送簇成员邀请包，若在一跳范围内没有归到其他簇内的邻居节点回复该邀请包，将成为该新簇的成员，其中该其他簇不包括原该簇头i和原该簇头的簇。
为实现上述目的，本发明还提供了一种执行该簇合并方法的数据采集处理模块以及一种设置有该数据采集处理模块的微控制器。
附图说明
图1是根据本发明的簇合并方法的示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明的簇合并方法的示意图，在此分别示出了执行簇合并之前的拓扑图和执行簇合并之后的拓扑图。
根据本发明的簇合并方法实际上是将两个距离较近的、簇大小参数低于N的簇合并，同时选择这两个簇头中拥有更小M值的一个作为新簇头，这样可以有效避免对网络资源的浪费。当簇头i检测到节点密度且簇大小参数时，簇合并机制启动。启动之后，簇头i广播一个簇合并请求包给它的直接邻居表中的节点，一旦另一个簇头j回复了请求，这两个簇将合并成一个新簇，同时选择这两个簇头中拥有更小簇头能力参数值的一个作为新簇头。
具体而言，根据本发明的簇合并方法在一个簇通信周期开始时，首先设定簇内最大的成员数量并确定簇内实际的成员数量，然后该簇的簇头向一跳范围内的邻居节点广播hello包，并通过一个簇通信周期内该邻居节点的回复包数量确定出该邻居节点的数量，其中该邻居节点的回复包中包含包头，该包头标记出普通簇成员和簇头，该普通簇成员还包括相邻簇的簇成员。在此可以将包头标记有簇头的邻居节点记录在直接邻居表中并计算出相邻簇的簇头数量。
随之，计算该簇头i的节点密度参数D(i)和簇大小参数M(i)，其中D(i)＝Nnb(i)/Nmax(i)，M(i)＝Nmb(i)/Nmax(i)，当该簇头i检测到该节点密度参数D(i)>1且该簇大小参数M(i)<0.5时，簇合并机制启动。
簇合并机制启动之后，该簇头i广播一个簇合并请求包给该邻居节点，优选地，该簇头i广播一个簇合并请求包给该直接邻居表中的相邻簇头，一旦该邻居节点中的另一个簇头j回复了该请求包，这两个簇将合并成一个新簇，同时选择这两个簇头中拥有更小簇头能力参数值A(i)的一个作为新簇头，其中
Pt是发送功率，Pr(i,j)是该簇头i接收到来自该另一个簇头j的回复时的接收功率。
进一步，新簇头向一跳范围内的邻居节点发送簇成员邀请包，若在一跳范围内没有归到其他簇内的邻居节点回复该邀请包，将成为该新簇的成员，其中该其他簇不包括原该簇头i和原该簇头j的簇。
为执行上述簇合并方法，本发明还提供了一种执行该簇合并方法的数据采集处理模块以及一种设置有该数据采集处理模块的微控制器。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于簇状网络结构中的簇合并方法，所述簇合并方法包括以下步骤：
a)在一个簇通信周期开始时，设定簇内最大的成员数量Nmax(i)并确定簇内实际的成员数量Nmb(i)；
b)所述簇的簇头(i)向一跳范围内的邻居节点广播hello包，并通过一个簇通信周期内所述邻居节点的回复包数量确定出所述邻居节点的数量Nnb(i)；
其特征在于，
c)计算所述簇头(i)的节点密度参数D(i)和簇大小参数M(i)，其中D(i)＝Nnb(i)/Nmax(i)，M(i)＝Nmb(i)/Nmax(i)；
d)当所述簇头(i)检测到所述节点密度参数D(i)＞1且所述簇大小参数M(i)＜0.5时，簇合并机制启动；
e)簇合并机制启动之后，所述簇头(i)广播一个簇合并请求包给所述邻居节点，一旦所述邻居节点中的另一个簇头(j)回复了该请求包，这两个簇将合并成一个新簇，同时选择这两个簇头中拥有更小簇头能力参数值A(i)的一个作为新簇头，其中
Pt是发送功率，Pr(i,j)是所述簇头(i)接收到来自所述另一个簇头(j)的回复时的接收功率。
2.根据权利要求1所述的簇合并方法，其特征在于，所述邻居节点的回复包中包含包头，所述包头标记出普通簇成员和簇头。
3.根据权利要求2所述的簇合并方法，其特征在于，所述普通簇成员还包括相邻簇的簇成员。
4.根据权利要求2所述的簇合并方法，其特征在于，将包头标记有簇头的邻居节点记录在直接邻居表中。
5.根据权利要求4所述的簇合并方法，其特征在于，计算出相邻簇的簇头数量。
6.根据权利要求4所述的簇合并方法，其特征在于，所述簇头(i)广播一个簇合并请求包给所述直接邻居表中的相邻簇头。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，新簇头向一跳范围内的邻居节点发送簇成员邀请包，若在一跳范围内没有归到其他簇内的邻居节点回复该邀请包，将成为该新簇的成员，其中所述其他簇不包括原所述簇头(i)和原所述簇头(j)的簇。
8.一种用于执行权利要求1至7中任一项所述簇合并方法的数据采集处理模块，所述数据采集处理模块包括确定单元、广播单元、计算单元、检测单元和控制单元；
所述确定单元用于，在一个簇通信周期开始时，设定簇内最大的成员数量Nmax(i)并确定簇内实际的成员数量Nmb(i)；以及通过一个簇通信周期内所述邻居节点的回复包数量确定出所述邻居节点的数量Nnb(i)；
所述广播单元用于，所述簇的簇头(i)向一跳范围内的邻居节点广播hello包；
所述计算单元用于，计算所述簇头(i)的节点密度参数D(i)和簇大小参数M(i)，其中D(i)＝Nnb(i)/Nmax(i)，M(i)＝Nmb(i)/Nmax(i)；
所述检测单元用于，检测所述节点密度参数D(i)是否大于1且所述簇大小参数是否满足M(i)是否小于0.5；
所述控制单元用于，当所述簇头(i)检测到所述节点密度参数D(i)＞1且所述簇大小参数M(i)＜0.5时，控制簇合并机制启动；簇合并机制启动之后，控制所述簇头(i)广播一个簇合并请求包给所述邻居节点，一旦所述邻居节点中的另一个簇头(j)回复了该请求包，这两个簇将合并成一个新簇，同时选择这两个簇头中拥有更小簇头能力参数值A(i)的一个作为新簇头，其中
Pt是发送功率，Pr(i,j)是所述簇头(i)接收到来自所述另一个簇头(j)的回复时的接收功率。
9.一种设置有权利要求8所述数据采集处理模块的微控制器。
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