專利名稱：基于“能量均衡”的集群無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，是一種解決大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡“能量空洞”問題，并延長網(wǎng)絡生存周期的非均勻分簇方法。

背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測環(huán)境內的大量微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式組成的一種自組織無線網(wǎng)絡。構成傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通常包括匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、空間探索、醫(yī)療衛(wèi)生、城市交通等領域的廣泛應用使得無線傳感器網(wǎng)絡成為當前無線網(wǎng)絡領域的一個熱門研究方向。它的出現(xiàn)被視為信息感知和采集領域的一場革命。傳感器節(jié)點是一個微型嵌入式系統(tǒng)，其處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電，并且在部署后難以再次補充能量。因此如何高效地使用傳感器節(jié)點的能量，最大地延長網(wǎng)絡的生存周期是傳感器網(wǎng)絡設計中所要考慮的首要問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流以多對一(many-to-one)的模式進行傳遞，離匯聚節(jié)點較近的傳感器節(jié)點需要承擔更多的通信負載，因此這些節(jié)點能耗速度過快，導致在匯聚節(jié)點周圍出現(xiàn)能量空洞。能量空洞的出現(xiàn)使網(wǎng)絡原有覆蓋區(qū)域缺失數(shù)據(jù)無法傳遞到匯聚節(jié)點，網(wǎng)絡的生存周期提前結束，網(wǎng)絡中大量的能量資源被浪費。
針對集群無線傳感器網(wǎng)絡中的能量空洞問題已經有一些應對機制提出。在多跳的網(wǎng)絡中，能量空洞往往會在離匯聚節(jié)點近的區(qū)域形成。Lian J和NaikK教授提出在離匯聚節(jié)點較近的地方放置更多的傳感器節(jié)點是一種能夠緩解能量空洞問題的措施，這就是所謂的節(jié)點數(shù)量非均勻分布方法，但是這種方法網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目由外環(huán)到內環(huán)以等比增長，導致網(wǎng)絡中的節(jié)點總數(shù)呈指數(shù)級增長。因此，只有當傳感器節(jié)點能夠以低成本大規(guī)模生產時，這種節(jié)點數(shù)量非均勻方法才有可行性。Mihail L.Sichitiu教授提出根據(jù)傳感器節(jié)點距離基站的遠近設置不同初始能量的能量非均勻分布的方法。能量非均勻分布方法從調整網(wǎng)絡能量密度來解決能量空洞的問題，在基站附近能量密度較高從而能夠承受大量的通信開銷。存在的問題是在隨機布置的環(huán)境中，節(jié)點的實際分布很難達到預先設定的分布。Luo J和Hubaux J P教授將動態(tài)性引入無線傳感器網(wǎng)絡中來解決能量空洞的問題。如果網(wǎng)絡中匯聚節(jié)點的位置可以按照一定的方法移動的話，匯聚節(jié)點周圍的節(jié)點隨著時間不斷變化，這樣可以避免在匯聚節(jié)點周圍形成能量空洞，消除節(jié)點能耗不平衡的狀況。但是頻繁移動匯聚節(jié)點會造成網(wǎng)絡拓撲的頻繁變化，使得路徑發(fā)現(xiàn)的代價增加，提高了整個網(wǎng)絡的功耗。同時改變匯聚節(jié)點位置受到實際條件的制約，在應用中存在著困難。
基于集群無線傳感器網(wǎng)絡的自組織、無線信道、節(jié)點功率可控等特點，使得對于其拓撲結構的優(yōu)化控制得以施行。研究證明在無線傳感器網(wǎng)絡中通過分簇(clustering)拓撲控制建立網(wǎng)絡層次結構，可以節(jié)省系統(tǒng)的能量，延長系統(tǒng)的生命周期，提高系統(tǒng)的性能，適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡。但存在的問題是基于分簇技術的無線傳感器網(wǎng)絡中，簇頭節(jié)點(cluster head)不僅管理簇內數(shù)據(jù)同時也要融合并轉發(fā)來自其他簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點之間多跳的通信方式導致距離匯聚節(jié)點較近的簇頭節(jié)點能量消耗過快而失效，導致該簇的節(jié)點與網(wǎng)絡中其他節(jié)點通信終端。簇頭節(jié)點之間的能耗不均衡大大降低了傳感器網(wǎng)絡的生存周期。Heinzelman W教授提出的LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)算法通過等概率地隨機循環(huán)選擇簇頭節(jié)點，將能量負載平均地分配到網(wǎng)絡每個節(jié)點上。Younis O教授提出的HEED(hybrid energy-eficient distributed clustering)算法首先根據(jù)節(jié)點的剩余能量來概率性地選取一些候選簇頭節(jié)點，然后以簇內部通信代價的高低來競爭產生最終簇頭節(jié)點。LEACH和HEED都需要周期性的更新簇頭節(jié)點形成新的簇，以使整個網(wǎng)絡的能量達到平衡，存在成簇開銷大、網(wǎng)絡部署面積受限、擴展性較差等諸多不足。傳統(tǒng)的分簇算法中簇頭節(jié)點多采用單跳通信方式直接與匯聚節(jié)點通信，研究重點主要集中于均衡簇內成員節(jié)點之間的能量消耗，沒有考慮到簇頭節(jié)點之間的能量消耗均衡問題。


發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，設計一種基于能量均衡(power-balancing)的非均勻分簇方法來解決大規(guī)?；诜执丶夹g的集群無線傳感器網(wǎng)絡中簇頭節(jié)點之間由于多跳(hop-to-hop)的通信方式導致的靠近匯聚節(jié)點的簇頭節(jié)點能量消耗速度過快耗盡而失效所產生的能量空洞問題，平衡簇頭節(jié)點間的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存周期。在本發(fā)明中無線傳感器網(wǎng)絡的生存周期被定義為網(wǎng)絡中最早因電池能量耗盡而失效的節(jié)點的生存時間。
本發(fā)明解決上述問題的技術方案是通過分簇拓撲控制將無線傳感器網(wǎng)絡建立成層次結構型網(wǎng)絡，將節(jié)點均勻分布的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域劃分為非均勻的環(huán)帶，根據(jù)等效距離的方法初始確定簇頭節(jié)點的位置。綜合考慮大規(guī)模集群無線傳感器網(wǎng)絡中簇內通信與簇間通信的相互作用，以保證簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點端到端(end-to-end)通信的可靠性鏈接，建立簇頭節(jié)點的能量消耗求解方程。通過數(shù)學分析將無線傳感器網(wǎng)絡中簇頭節(jié)點能量消耗平衡，使簇頭節(jié)點消耗最大功耗值最小并最大化網(wǎng)絡生存周期的問題歸納為標準的符號優(yōu)化問題。在基于“能量均衡”的思想下采用數(shù)值分析中的最速梯度下降算法優(yōu)化簇頭節(jié)點的能量消耗方程中的參數(shù)，得到環(huán)帶的最優(yōu)環(huán)半徑向量。根據(jù)環(huán)半徑向量解調整簇頭節(jié)點的位置和發(fā)射功率，最終確定簇的大小。簇內節(jié)點以單跳的方式與簇頭節(jié)點通信，簇頭節(jié)點以多跳的方式與匯聚節(jié)點通信，環(huán)帶內的簇頭節(jié)點只能選擇相鄰上一環(huán)帶內距離自己最近的簇頭節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 (1)與傳統(tǒng)的基于負載均衡(load-balancing)的啟發(fā)式(heuristics)分簇方法不同，本發(fā)明通過數(shù)學分析給出了解決基于分簇技術的無線傳感器網(wǎng)絡中的簇頭節(jié)點能量消耗不均衡問題的方法，將最大化網(wǎng)絡生存周期問題歸納為標準的符號優(yōu)化問題，為該問題的解決提供了很好的理論基礎和求解方案。最速梯度下降算法對于求解最大化網(wǎng)絡生存周期問題模型參數(shù)的優(yōu)化具有很好的收斂性。
(2)本發(fā)明提出的基于能量均衡的非均勻分簇方法不僅有效地平衡了簇頭節(jié)點間的能量消耗，而且保證了簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點之間通信鏈路的可靠性連接。解決了傳統(tǒng)的基于負載(load-balancing)均衡的分簇方法中距離匯聚節(jié)點較近的簇頭節(jié)點能量消耗過快提前失效的問題，顯著延長了網(wǎng)絡的生存周期。
(3)本發(fā)明基于分簇技術的分層式拓撲結構不僅能提高路由協(xié)議和媒體控制協(xié)議的效率，而且與優(yōu)化網(wǎng)絡整體性能的存在著密切的聯(lián)系，同時為時間同步、數(shù)據(jù)融合及目標定位技術提供支撐基礎。



圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)過程流程圖 圖2是采用本發(fā)明的基于能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲結構圖 圖3是n＝2不同分簇方法無線傳感器網(wǎng)絡簇頭節(jié)點剩余能量比仿真曲線圖 圖4是n＝4不同分簇方法無線傳感器網(wǎng)絡簇頭節(jié)點剩余能量比仿真曲線圖 圖5是n＝2不同分簇方法無線傳感器網(wǎng)絡歸一化生存周期仿真曲線圖 圖6是n＝4不同分簇方法無線傳感器網(wǎng)絡歸一化生存周期仿真曲線圖
具體實施例方式 本發(fā)明通過分簇拓撲控制將無線傳感器網(wǎng)絡建立成層次結構型網(wǎng)絡，將節(jié)點均勻分布的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域劃分為非均勻的環(huán)帶，根據(jù)等效距離的方法初始確定簇頭節(jié)點的位置。綜合考慮大規(guī)模集群無線傳感器網(wǎng)絡中簇內通信與簇間通信的相互作用，保證簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點端到端(end-to-end)通信的可靠性鏈接，建立簇頭節(jié)點的能量消耗模型。通過數(shù)學分析將無線傳感器網(wǎng)絡中簇頭節(jié)點能量消耗平衡，使簇頭節(jié)點消耗最大功耗值最小并最大化網(wǎng)絡生存周期的問題歸納為標準的符號優(yōu)化問題。在基于“能量均衡”的思想下采用數(shù)值分析中的最速梯度下降算法優(yōu)化簇頭節(jié)點的能量消耗模型的參數(shù)，得到最優(yōu)環(huán)半徑向量。根據(jù)環(huán)半徑向量調整簇頭節(jié)點的位置和發(fā)射功率，最終確定簇的大小。本發(fā)明通過調整簇的大小和簇頭節(jié)點位置平衡簇頭節(jié)點之間的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存周期。
以下針對附圖和具體實例，對本發(fā)明的實施作具體說明。
圖1所示為本發(fā)明的實現(xiàn)過程流程圖 1.網(wǎng)絡結構初始化 通過分簇拓撲控制將無線傳感器網(wǎng)絡建立成層次結構型網(wǎng)絡，將節(jié)點均勻分布的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域劃分為非均勻的環(huán)帶并根據(jù)等效距離的原則初始確定簇頭節(jié)點的位置。
初始化網(wǎng)絡節(jié)點以密度ρ均勻地分布在半徑為R的圓形監(jiān)測區(qū)域S中，匯聚節(jié)點被置于圓心處；將圓形區(qū)域S劃分為K+1個環(huán)帶，沿監(jiān)測區(qū)域中心至外圍所有環(huán)帶的半徑分別記為R0，R1，R2，...，Rk，環(huán)半徑向量為r＝(r1，r2，L，rK)T；基于監(jiān)測區(qū)域的對稱性和節(jié)點分布的均勻性，位置落在Ri＝{(ρ，θ)|ri-1<ρ≤ri}環(huán)帶內的節(jié)點被歸類為i型簇；位于R0＝{(ρ，θ)|0<ρ≤r0}環(huán)帶內的節(jié)點直接與匯聚節(jié)點進行通信，其中r0<R；環(huán)帶Ri內的簇頭節(jié)點只能與內鄰環(huán)帶Ri-1內距離最近的簇頭節(jié)點以單跳的方式進行通信；R1，R2，...，Rk-1環(huán)帶內的簇頭節(jié)點不僅要管理簇內節(jié)點，融合各節(jié)點數(shù)據(jù)并傳輸至下一跳節(jié)點，還要承擔其他環(huán)帶的數(shù)據(jù)中繼任務，Rk環(huán)帶內的節(jié)點則不需負擔數(shù)據(jù)中繼的責任。
2.簇頭節(jié)點位置初始化 由于節(jié)點是均勻分布在對稱的圓形監(jiān)測區(qū)域內，因此簇頭節(jié)點均勻地分布在Ci＝{(ρ，θ)|ρ＝di}的圓上，其中ri-1<di≤ri，1≤i≤K。
本發(fā)明通過等效距離的方法初始確定簇頭節(jié)點的位置。將某個環(huán)帶Ri內節(jié)點發(fā)送每比特數(shù)據(jù)至環(huán)帶Ri-1內簇頭節(jié)點所消耗的能量的平均值等效為位于簇頭節(jié)點均勻分布的Ci＝{(ρ，θ)|ρ＝di}圓環(huán)上節(jié)點發(fā)送每比特數(shù)據(jù)至內鄰環(huán)帶Ri-1內簇頭節(jié)點所消耗的能量，由此確定等效距離di的值。令xi為Ri環(huán)內的簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞到Ri-1環(huán)內簇頭節(jié)點所需的平均距離 3.建立信道模型以及簇頭節(jié)點能量消耗求解方程 本發(fā)明綜合考慮大規(guī)模集群無線傳感器網(wǎng)絡中簇內通信與簇間通信的相互作用，保證簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點端到端(end-to-end)通信的可靠性鏈接，建立簇頭節(jié)點的能量消耗模型。設置節(jié)點接收每比特數(shù)據(jù)所需的能量不小于預定的能量門限值τ，保證簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點端到端(end-to-end)通信達到可靠性鏈接指數(shù)δp。
采用瑞利衰減模型描述簇頭節(jié)點之間，簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的通信的信道模型，信道增益為其中L(d0)為路徑損耗，Gt為發(fā)射天線增益，Gt接收天線增益，x為發(fā)射終端與接收終端之間的距離，n路徑損耗指數(shù)，ζ為歸一化的隨機變量代表衰減功率增益，呈指數(shù)分布，Pr(ζ≤t)＝1-e-t。
在集群無線傳感器網(wǎng)絡中，簇內節(jié)點以速率λbit/s產生數(shù)據(jù)并以單跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點以速率μbit/s產生數(shù)據(jù)以多跳的方式通過其他簇頭節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點。根據(jù)接收每比特數(shù)據(jù)電路所消耗的能量erx、發(fā)送每比特數(shù)據(jù)電路所消耗能量etx、發(fā)射功率函數(shù)ETi(λi+μi，Γ)確定環(huán)帶Ri內簇頭節(jié)點的能量消耗Ei Ei＝erx(λi+μi)+etx(λi+μi)+ETi(λi+μi，Γ) (3) 其中發(fā)射功率函數(shù)ETi(λi+μi，Γ)與發(fā)送數(shù)據(jù)比特流和簇頭節(jié)點的路由機制相關。在本發(fā)明中，簇頭節(jié)點通過最短路徑路由來轉發(fā)數(shù)據(jù)，即Ri環(huán)帶內的簇頭節(jié)點只能選擇內鄰Ri-1環(huán)帶內距離自己最近的簇頭節(jié)點來轉發(fā)數(shù)據(jù)。
ETi＝eti(λi+μi) (4) 將公式(4)帶入公式(3)可得Ri，環(huán)內簇頭節(jié)點通信能量消耗 Ei＝(λi+μi)(erx+etx+eti)(5) 其中eti為簇頭節(jié)點發(fā)射每比特數(shù)據(jù)所消耗的能量，則接收每比特數(shù)據(jù)所要消耗的能量在最短路徑路由下，端到端路徑中最大鏈路數(shù)為K，為滿足端到端鏈路的可靠性指數(shù)δp，eri必須不小于預定的能量門限值τ，δl為最短鏈路可靠性指數(shù)。因此發(fā)射每比特數(shù)據(jù)所需的最低能量eti如下式所示 其中 Ri環(huán)帶內的總的數(shù)據(jù)流量為為便于在實際應用中簡單易行，本發(fā)明取角幅度為

的環(huán)扇為一個簇，且每個環(huán)帶的分簇方法一致，則Ri環(huán)帶內的簇頭節(jié)點數(shù)為

Ri環(huán)帶內每個簇的平均數(shù)據(jù)流量為由此可建立Ri環(huán)帶內簇頭節(jié)點能量消耗求解方程
得到所有環(huán)帶內簇頭節(jié)點能量消耗求解方程，，求解方程獲得最優(yōu)環(huán)帶半徑向量。
4.建立最大化網(wǎng)絡生存周期問題求解方程 由于簇頭節(jié)點的初始能量相等，為了最大化地延長網(wǎng)絡的生命周期，我們需要解決的問題是平衡各個簇頭節(jié)點的能量消耗，并使簇頭節(jié)點的最大能量消耗降到最低。為此，建立原始方程 Minimize max{E1，E2...Ek}(10) 本發(fā)明通過優(yōu)化環(huán)半徑向量r＝(r1，r2，L，rK)T，來調整簇頭節(jié)點的位置和發(fā)射功率，確定簇的大小，以此平衡各個簇頭節(jié)點的能量消耗，并使簇頭節(jié)點的最大能量消耗降到最低。即得帶約束條件的最大化網(wǎng)絡生存周期問題求解方程 5.根據(jù)簇頭節(jié)點能量消耗求解方程迭代求解最優(yōu)環(huán)半徑向量 本發(fā)明采用數(shù)值分析中的最速梯度下降算法計算最優(yōu)環(huán)半徑解向量，通過步長因子系數(shù)和簇頭節(jié)點的能量消耗函數(shù)的負梯度向量的分量迭代調整環(huán)半徑向量，使得簇頭節(jié)點的能量消耗函數(shù)收斂，求得最優(yōu)環(huán)半徑向量。其具體步驟如下 (1)引入輔助變量t≥Ei(r)，其中1≤i≤K，將最大化網(wǎng)絡生存周期問題 歸納為標準的符號優(yōu)化問題(signomial optimal problem) (2)初始化環(huán)半徑向量r＝(r1，r2，L，rK)T； (3)將r＝(r1，r2，L，rK)T代入簇頭節(jié)點能量消耗求解方程，計算出各個環(huán)內簇頭節(jié)點的能量消耗值E＝(E1，E2，L，EK)T； (4)求出簇頭節(jié)點的能量消耗E＝(E1，E2，L，EK)T中的最大值EMAX及相應的環(huán)半徑ri； (5)根據(jù)公式修改環(huán)半徑向量值r＝(r1，r2，L，rK)T，其中

是表示步長因子系數(shù)，

是簇頭節(jié)點能量消耗函數(shù)在處的一階偏導，表示在等值面的負梯度向量的分量； (6)反復迭代(3)，(4)，(5)，直到在滿足(12)式的條件下E＝(E1，E2，L，EK)T收斂； (7)得出此時的環(huán)半徑向量即為最優(yōu)環(huán)向量解 6.根據(jù)得到的最優(yōu)環(huán)向量利用公式(2)及角幅度

值確定簇頭節(jié)點位置，利用公式(1)調整簇頭節(jié)點的發(fā)射功率，確定簇的大小。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法確定簇頭節(jié)點位置、發(fā)射功率以及簇的大小，由此建立分層式拓撲結構的網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠平衡簇頭節(jié)點間的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存周期。
如附圖2所示為本發(fā)明基于分簇技術的分層式拓撲結構的網(wǎng)絡拓撲結構圖，傳感器節(jié)點以密度ρ均勻地分布在半徑為R的圓形監(jiān)測區(qū)域S中，網(wǎng)絡中只存在一個匯聚節(jié)點固定在監(jiān)測區(qū)域S的中心位置，匯聚節(jié)點不受能量的約束；根據(jù)求得的最優(yōu)環(huán)半徑向量調整劃分監(jiān)測區(qū)域S的K+1個環(huán)帶，分別記R0，R1，R2，...，Rk，相應地網(wǎng)絡中的節(jié)點被劃分為K種類型的簇，位置落在Ri＝{(ρ，θ)|ri-1<ρ≤ri}環(huán)帶內的傳感器節(jié)點被歸類為i型簇，位于R0環(huán)帶內的節(jié)點直接與匯聚節(jié)點進行通信；Ri環(huán)帶內節(jié)點被劃分為

個簇，節(jié)點預知分區(qū)信息，簇頭節(jié)點以密度

均勻的分布在Ci＝{(ρ，θ)|ρ＝di}的圓上，其中ri-1<di≤ri，1≤i≤K；簇頭節(jié)點具有比普通節(jié)點更高的數(shù)據(jù)處理能力和能量儲備，且無線發(fā)射功率可控制，簇頭節(jié)點的初始能量相同；Ri環(huán)內的簇頭節(jié)點只能選擇Ri-1環(huán)內距離自己最近的簇頭節(jié)點來傳遞數(shù)據(jù)；R1，R2，...，Rk-1環(huán)帶內的簇頭節(jié)點不僅管理融合簇內節(jié)點數(shù)據(jù)并傳輸至下一跳節(jié)點，還承擔其他環(huán)帶的數(shù)據(jù)中繼任務，Rk環(huán)帶內的節(jié)點則不需負擔數(shù)據(jù)中繼的責任；簇內節(jié)點以單跳的方式與簇頭節(jié)點通信，簇頭節(jié)點通過多跳通信方式與匯聚節(jié)點通信。
我們通過實驗比較了本發(fā)明基于能量均衡的非均勻分簇方法與基于負載均衡的均勻分布分簇方法和基于概率向量p＝(p1，p2，L，pK)T的均勻分簇方法?；谪撦d均衡的均勻分布分簇方法的核心思想是將圓形監(jiān)測區(qū)域內劃分等寬度的環(huán)帶，相應地節(jié)點被劃分為相等大小的簇，簇內節(jié)點與簇頭節(jié)點通過單跳的方式通信，簇頭節(jié)點通過多跳的方式傳遞數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點。基于概率向量的均勻分簇方法與基于負載均衡的均勻分布分簇方法不同的是簇頭節(jié)點以概率向量p＝(p1，p2，L，pK)T隨機選擇傳遞數(shù)據(jù)給下一跳的簇頭節(jié)點或者直接傳遞數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點。實驗結果證明基于能量均衡的非均勻分簇方法在網(wǎng)絡生存周期和網(wǎng)絡能量剩余率方面的性能大大優(yōu)于其他兩種方法。
附圖3，4分別為路徑損耗系數(shù)n＝2，n＝4時不同分簇方法無線傳感器網(wǎng)絡簇頭節(jié)點能量剩余率仿真曲線圖。網(wǎng)絡能量剩余率是指在網(wǎng)絡的生存周期結束時，網(wǎng)絡中剩余的能量總和與網(wǎng)絡中所有節(jié)點的初始能量總和之間的比值。我們可以看到，當路徑衰減指數(shù)n＝2時，隨著網(wǎng)絡半徑的增大，在網(wǎng)絡生存周期結束時，采用基于能量均衡的非均勻分簇方法的網(wǎng)絡的簇頭節(jié)點能量剩余率很小低于5％，并且趨于穩(wěn)定；采用基于概率向量的均勻分簇方法的網(wǎng)絡最外環(huán)的簇頭節(jié)點能量剩余率較高；采用基于負載均衡的均勻分簇方法的網(wǎng)絡簇頭節(jié)點能量剩余率隨半徑增長呈遞增趨勢，在網(wǎng)絡生存周期結束時，網(wǎng)絡外環(huán)內簇頭節(jié)點仍有接近90％的能量剩余。采用基于能量均衡的非均勻分簇方法的網(wǎng)絡的能量剩余率要遠低于采用其他兩種節(jié)點分布方法時的網(wǎng)絡的能量剩余率。當路徑衰減指數(shù)n＝4時，采用基于概率向量的非均勻分布方法的網(wǎng)絡性能不穩(wěn)定，部分區(qū)域能量剩余較高；采用基于負載均衡的均勻分布方法的網(wǎng)絡的簇頭節(jié)點能量剩余率依然隨半徑的增大而遞增；采用基于能量均衡的非均勻分簇方法的網(wǎng)絡的簇頭節(jié)點能量剩余率大大低于其他兩種方法。
附圖5，6為路徑損耗系數(shù)分別為n＝2，n＝4時不同分簇方法無線傳感器網(wǎng)絡簇頭節(jié)點生存周期仿真曲線圖。在本發(fā)明中無線傳感器網(wǎng)絡的生存周期被定義為最早因電池能量耗盡而失效的簇頭節(jié)點的生存時間。從圖中可以看出采用基于負載均衡的均勻分簇方法的網(wǎng)絡靠近匯聚節(jié)點的簇頭節(jié)點能耗較快過早死亡，從而網(wǎng)絡的生存周期較短；基于概率向量的均勻分簇方法的網(wǎng)絡生命周期穩(wěn)定但是生命周期較短，但優(yōu)于基于負載均衡的均勻分簇方法的網(wǎng)絡；與其他兩種方法相比，基于能量均衡的非均勻分簇方法很好的延長了網(wǎng)絡的生命周期，并且隨著網(wǎng)絡半徑的增加網(wǎng)絡的生存周期趨于穩(wěn)定。
權利要求
1、一種基于能量均衡的集群無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇方法，其特征在于，通過分簇拓撲控制將無線傳感器網(wǎng)絡建立成層次結構型網(wǎng)絡，并將其監(jiān)測區(qū)域劃分為非均勻的環(huán)帶，根據(jù)等效距離的方法初始確定簇頭節(jié)點的位置，保證簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點端到端通信達到可靠性鏈接指數(shù)δp，建立簇頭節(jié)點的能量消耗求解方程，利用最速梯度下降算法求解簇頭節(jié)點能量消耗方程，確定最優(yōu)環(huán)帶半徑向量，通過最優(yōu)環(huán)帶半徑向量調整簇頭節(jié)點的位置和發(fā)射功率，確定簇的大小，平衡各個簇頭節(jié)點的能量消耗。
2、根據(jù)權利要求1所述的非均勻分簇方法，其特征在于，所述確定等效距離的具體方法包括，將某環(huán)帶Ri內節(jié)點發(fā)送每比特數(shù)據(jù)至其內鄰環(huán)帶Ri-1內簇頭節(jié)點所消耗的能量的平均值等效為環(huán)帶Ri內距離監(jiān)測區(qū)域中心半徑為di的圓環(huán)上的節(jié)點發(fā)送每比特數(shù)據(jù)至內鄰環(huán)帶Ri-1內簇頭節(jié)點所消耗的能量，確定等效距離di。
3、根據(jù)權利要求1所述的非均勻分簇方法，其特征在于，根據(jù)接收每比特數(shù)據(jù)電路所消耗能量erx、發(fā)送每比特數(shù)據(jù)電路所消耗能量etx、發(fā)射功率函數(shù)ETi(λi+μi，Γ)，建立簇頭節(jié)點的能量消耗求解方程。
4、根據(jù)權利要求1所述的非均勻分簇方法，其特征在于，簇內節(jié)點以單跳的方式與簇頭節(jié)點通信，簇頭節(jié)點以多跳的方式與匯聚節(jié)點通信，環(huán)帶內的簇頭節(jié)點只能選擇相鄰上一環(huán)帶內距離自己最近的簇頭節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)。
5、根據(jù)權利要求1所述的非均勻分簇方法，其特征在于，所述最速梯度下降算法，通過步長因子系數(shù)和簇頭節(jié)點的能量消耗函數(shù)的負梯度向量的分量迭代調整環(huán)半徑向量，使得簇頭節(jié)點的能量消耗函數(shù)收斂，求得最優(yōu)環(huán)半徑向量。
全文摘要
一種基于能量均衡的集群無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇方法，涉及無線通信技術。該方法將節(jié)點均勻分布的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域劃分為非均勻的環(huán)帶，根據(jù)等效距離的方法確定簇頭節(jié)點的位置，保證簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點端到端通信的可靠性鏈接指數(shù)δp，建立簇頭節(jié)點的能量消耗求解方程。在基于“能量均衡”的思想下采用最速梯度下降算法優(yōu)化簇頭節(jié)點的能消耗求解方程的參數(shù)，得到最優(yōu)環(huán)半徑向量。根據(jù)最優(yōu)環(huán)半徑向量調整簇頭節(jié)點的位置和發(fā)射功率，最終確定簇的大小，從而平衡簇頭節(jié)點之間的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存周期。本發(fā)明顯著延長了網(wǎng)絡的生存周期，提高路由協(xié)議和媒體控制協(xié)議的效率，同時為時間同步、數(shù)據(jù)融合及目標定位技術提供支撐基礎。
文檔編號H04L12/28GK101394321SQ20081007037
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月25日 優(yōu)先權日2008年9月25日
發(fā)明者劉宴兵, 郭文旭, 廖曉峰 申請人:重慶郵電大學