專利名稱：應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種具有可靠性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇控制方法，可用于去尋找穩(wěn)定、可靠、網(wǎng)絡(luò)能量分布均衡且與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)相匹配的簇。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及低功耗無(wú)線通信技術(shù)而形成的一種以自組織網(wǎng)絡(luò)方式構(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。其主體是低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器。這些微型傳感器通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息采集，并利用自身的嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，然后再利用隨機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，從而完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的掌控。該技術(shù)可用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、空間探索、城市交通管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理等軍事和民用領(lǐng)域。傳感器節(jié)點(diǎn)往往工作在惡劣的環(huán)境中，并且通常采用能量有限的電池提供能量，替換節(jié)點(diǎn)的電池或?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電都是十分困難的，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)很容易出現(xiàn)因?yàn)槟茉春谋M而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效的情況。如何有效利用節(jié)點(diǎn)的有限能量，從而最大化的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間已成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。分簇機(jī)制是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一個(gè)重要問(wèn)題。一個(gè)好的分簇算法能夠形成一個(gè)優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而有效地提高路由協(xié)議的執(zhí)行效率和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸成功率，減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理量，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的壽命。分簇機(jī)制其實(shí)就是將網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)人為地分成兩類，一類是簇頭節(jié)點(diǎn)，一類是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。其中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)，并將感知到的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)則主要是協(xié)調(diào)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)分簇后有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，由簇頭節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)融合的任務(wù)，可減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸量；分簇式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應(yīng)用，適合大規(guī)模部署的網(wǎng)絡(luò)；由于簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉無(wú)線通信模塊，所以可顯著地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。國(guó)外對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法的研究起步比較早，Heinzelman W B等人率先提出了適合在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用的典型層次式路由協(xié)議(LEACH協(xié)議)，該協(xié)議采用了一種凝聚策略，利用各節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的相似性，從相似性最高的節(jié)點(diǎn)對(duì)開(kāi)始，往一個(gè)空網(wǎng)絡(luò)中添加邊,添邊過(guò)程的終止時(shí)刻就得到了一個(gè)由若干簇組成的網(wǎng)絡(luò)。但是這種方法沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，從而可能導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)過(guò)早的死亡，并影響網(wǎng)絡(luò)的壽命。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也紛紛對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法進(jìn)行了研究。同濟(jì)大學(xué)的杭海存等人將LEACH協(xié)議與蟻群算法相結(jié)合運(yùn)用到了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這種方法平衡了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，但其在簇頭選取的過(guò)程中也沒(méi)有考慮簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量，從而可能使一些剩余能量較小的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭，并加速這些節(jié)點(diǎn)的死亡速度。由中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2011年6月3日公開(kāi)，公開(kāi)號(hào)為CN102231899A的專利申請(qǐng)“一種無(wú)線傳感網(wǎng)高斯分簇路由控制方法”，公開(kāi)了一種傳感網(wǎng)絡(luò)的尋簇方法。該方法借助網(wǎng)絡(luò)的大小、網(wǎng)絡(luò)成簇的數(shù)量、節(jié)點(diǎn)的剩余能量及簇頭間的最優(yōu)距離等參素尋找到了一個(gè)簇頭分布較為均勻的網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)，從而使得網(wǎng)絡(luò)整體能量分布較為均勻，并降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的死亡速率。但該發(fā)明申請(qǐng)存在如下缺陷I)該方法是先選擇簇頭，然后再由簇頭來(lái)構(gòu)建簇，每輪都要變化簇的結(jié)構(gòu)，從而使獲得的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，同時(shí)還增加了網(wǎng)絡(luò)的選簇開(kāi)銷；2)該方法沒(méi)有考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，從而引發(fā)尋找到的網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)隨機(jī)性強(qiáng)、與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不匹配等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇控制方法，以解決已有技術(shù)找到的簇不穩(wěn)定、隨機(jī)性強(qiáng)且與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不匹配問(wèn)題，從而提高簇的穩(wěn)定性、可調(diào)性、普適性及其與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的匹配性。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Laplace矩陣求出網(wǎng)絡(luò)的非平凡特征向量，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，結(jié)合各節(jié)點(diǎn)的剩余能量及其周圍能量分布的異配度在每個(gè)簇內(nèi)選取簇頭，利用非平凡特征向量的均值向量形成與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)相匹配的原始簇結(jié)構(gòu)；并借助網(wǎng)絡(luò)模塊度的增量來(lái)評(píng)估合并這些原始的簇，從而建立了一個(gè)與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)更加匹配可靠的、適合于實(shí)際應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)。其實(shí)現(xiàn)步驟包括如下(I)在SXS的平面范圍內(nèi)，隨機(jī)拋撒η個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建隨機(jī)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)將各自的ID號(hào)、位置、剩余能量信息封裝為數(shù)據(jù)報(bào)文向周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，廣播過(guò)程結(jié)束時(shí)，各節(jié)點(diǎn)均形成并維護(hù)一張鄰居列表，鄰居列表中存貯節(jié)點(diǎn)本身及其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量、ID號(hào)和位置信息；(2)在生成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，將各節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)獨(dú)立的簇，基站利用網(wǎng)絡(luò)的Laplace矩陣求出該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非平凡特征向量的均值向量CT=(Cli)nxi，取Cf中各簇對(duì)應(yīng)的元素為該簇的坐標(biāo)，并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的簇間距矩陣 =0^]ηΧη，其中
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇控制方法，包括如下步驟(1)在SXS的平面范圍內(nèi)，隨機(jī)拋撒η個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建隨機(jī)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)將各自的ID號(hào)、位置、剩余能量信息封裝為數(shù)據(jù)報(bào)文向周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，廣播過(guò)程結(jié)束時(shí)，各節(jié)點(diǎn)均形成并維護(hù)一張鄰居列表，鄰居列表中存貯節(jié)點(diǎn)本身及其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量、ID號(hào)和位置信息；(2)在生成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，將各節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)獨(dú)立的簇，基站利用網(wǎng)絡(luò)的 Laplace矩陣求出該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非平凡特征向量的均值向量Cf=(Cli)nxi，取Cf中各簇對(duì)應(yīng)的元素為該簇的坐標(biāo)，并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的簇間距矩陣 =0^]ηΧη，其中
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇控制方法，其特征在于，步驟(6) 所述的更新模塊度增量矩陣八0、簇間距矩陣0、中間變量％和~按如下步驟進(jìn)行(6a)更新模塊度增量矩陣Λ Q，即在矩陣Λ Q中刪除簇i對(duì)應(yīng)的行和列，并利用如下公式分別更新矩陣AQ中簇j對(duì)應(yīng)的行和列上的所有元素
3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇控制方法，其特征在于，步驟(7) 所述的傳感器節(jié)點(diǎn)間通過(guò)簇頭選擇函數(shù)來(lái)進(jìn)行簇頭選擇，按如下步驟進(jìn)行(7a)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)依據(jù)其鄰居列表中存貯的本身及其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量和位置信息來(lái)計(jì)算t時(shí)刻各自的能量分布異配度，計(jì)算公式如下
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇控制方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)可靠性差及可調(diào)性低的問(wèn)題。該方法首先在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用非平凡特征向量來(lái)形成與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)相匹配的原始簇；然后借助網(wǎng)絡(luò)模塊度的增量來(lái)評(píng)估合并這些原始簇，從而形成一個(gè)與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)更加匹配可靠的簇結(jié)構(gòu)；最后根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，結(jié)合各節(jié)點(diǎn)的剩余能量及其周圍能量分布的異配度從每個(gè)簇內(nèi)選取簇頭。利用本發(fā)明構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)不僅具有更高的匹配性，而且具有很好的可調(diào)性，可滿足在惡劣環(huán)境條件下，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)可靠性的要求。
文檔編號(hào)H04W40/10GK103024857SQ20131000632
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者劉三陽(yáng), 劉逵, 焦紅偉, 馮海林 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)