基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格以及數(shù)據(jù)融合的分簇算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格以及數(shù)據(jù)融合的分簇算法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network，WSN)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大 量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其 目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并且發(fā)送給接收者。WSN 廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)與監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)敵情監(jiān)測(cè)、水下環(huán)境探測(cè)以及地震預(yù)警等環(huán)境艱苦以及 人力無法到達(dá)的場(chǎng)景。WSN具有巨大的研宄價(jià)值。LIQING⑶0，H XIE，CHENHUI YANG等 人充分考慮了節(jié)點(diǎn)分布不均勻的特點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，利用聚類算法，把節(jié)點(diǎn)分 成若干個(gè)簇，使得簇分布的均勻，然后在簇內(nèi)尋找能量最大的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，這使得WSN能 耗降低，并且延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期；鐘一洋，劉興長(zhǎng)將簇內(nèi)成員的剩余能量以及簇內(nèi)普 通成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)量作為調(diào)整簇的輪時(shí)間的參數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)中的能耗更加均衡；Hu Junping， Jin Yuhui等人對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間參數(shù)，如果簇頭個(gè)數(shù)不滿足最優(yōu)簇頭數(shù)目， 則時(shí)間參數(shù)減為〇的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭，一直到簇頭的個(gè)數(shù)滿足最優(yōu)簇頭的個(gè)數(shù)。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，具有以下的特點(diǎn)：①監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布不 均勻，而且數(shù)目眾多，分布很稠密。②每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)使用電池提供能量，這就導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn) 的計(jì)算能力、能量以及存儲(chǔ)的空間等資源是受到制約的。③由于傳感器節(jié)點(diǎn)工作的環(huán)境很 惡劣，傳感器節(jié)點(diǎn)失效的概率會(huì)很高。因此傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚刹荒軌驊?yīng)用于無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中。這就需要針對(duì)WSN的特點(diǎn)研宄新的算法以滿足WSN的需求。能量是制約WSN 能否正常工作的一個(gè)重要參考標(biāo)準(zhǔn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在有限的能量下，延長(zhǎng)WSN的網(wǎng)絡(luò)生 命周期成為了研宄的重要內(nèi)容。因此在研宄WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)議時(shí)，如何節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量損 耗顯得尤為重要。
[0004]LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)作為一種層次型拓?fù)渎酚?協(xié)議被提出，并且它的分層思想被廣泛的應(yīng)用于其他的分層協(xié)議中。LEACH算法周期性地 執(zhí)行，執(zhí)行的過程主要分為簇的建立以及數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段。節(jié)點(diǎn)在簇頭選舉之前隨機(jī)的 產(chǎn)生〇~1的隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)小于閾值，則此節(jié)點(diǎn)發(fā)出自己成為簇頭的消息。對(duì)于當(dāng)選 過簇頭的節(jié)點(diǎn)，在以后的選舉中就不會(huì)成為簇頭。監(jiān)測(cè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭后，向周圍的 節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己已經(jīng)成為新簇頭的消息。非簇頭節(jié)點(diǎn)在收到消息后，加入到離自己最近的簇 頭所在的簇中，并告知簇頭。當(dāng)簇頭接收到非簇頭節(jié)點(diǎn)加入的消息后，產(chǎn)生一個(gè)TDM定時(shí) 消息。為了避免簇之間的信號(hào)干擾，簇頭向簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)CDM編碼。簇頭節(jié)點(diǎn) 通過數(shù)據(jù)融合算法將簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后，再把融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站 (Sink)〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格以及數(shù)據(jù)融合的分簇算法，為了均衡無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，減少能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，本發(fā)明提出了一種基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格 以及數(shù)據(jù)融合的分簇算法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格以及數(shù)據(jù)融合的分簇算法，其 特征在于：包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)組，匯聚節(jié)點(diǎn)，其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)組由N個(gè)無線傳感器 節(jié)點(diǎn)，分別用Node⑴表示，i=l, 2，…，N。Node (i)隨機(jī)分布在200米*200米的區(qū)域 中，（x.t，yj分別表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node⑴在平面坐標(biāo)系上的X軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)， i=l, 2，…，N ;匯聚節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)X軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)為（100米，100米）； 實(shí)現(xiàn)具體步驟如下： 1)對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)，它的初始能量用Einit(I).表示，它的當(dāng)前能量用 表示，i=l，2，…，N;無線傳感器節(jié)點(diǎn)功率放大器的能耗表示，它的自由 空間消耗的能量用Sfs表示，它的發(fā)射電路消耗的能量E eleet。構(gòu)造向量flag，flag(i)為 flag 中的第 i 個(gè)元素，flag(i)=l，i=l, 2，…，N ;構(gòu)造向量 locat_flag，locat_flag(i)為 locat_flag 中的第 i 個(gè)元素，locat_flag(i)=l，i=l，2，設(shè)變量r=l，r 表示無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)。
[0007] 2)匯聚節(jié)點(diǎn)將自己在平面坐標(biāo)系下的X軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)下的坐標(biāo)發(fā)送給向無線 傳感器節(jié)點(diǎn)組中的每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，然后無線傳感器節(jié)點(diǎn)組內(nèi)的每一個(gè)無線傳感器節(jié) 點(diǎn)記錄下匯聚節(jié)點(diǎn)的位置。
[0008]3)對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)組中無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (i)，根據(jù)公式
計(jì)算無線傳感器節(jié)點(diǎn)組中無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離Dis(i)， i=l，2，...，N; 4) 根據(jù)公式
計(jì)算無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑R ; 5) 如果 Dis(i)小于 R，則 locat_flag(i)=0, i=l, 2，…，N。
[0009] 6)構(gòu)建隨機(jī)數(shù)向量U，U(i)為向量U中的第i個(gè)元素，U(i)為隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字， U(i)大于0并且小于或者等于l，i=l，2,…，N。
[0010] 7)根據(jù)公式
計(jì)算無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (i)的閾值，用T (i)表示，i=l, 2，…，N ; 8)如果U(i)小于T(i)，那么flag(i)=0, i=l, 2,…，N ;設(shè)向量flag中等于0的元素的 個(gè)數(shù)為K，依次判斷，如果flag(i)=0,那么Node (i)為簇頭向量C中的元素，i=l, 2，…，N， C(m)為向量C中的第m個(gè)元素，設(shè)(x_cm，y_c.m)表示C (m)在平面坐標(biāo)系中x軸坐標(biāo)和 y軸坐標(biāo)，m=l，2，構(gòu)造K個(gè)向量，分別用W_m表示，W_m中的第一個(gè)元素為C(m)， m=l,2,…，K ; 9)根據(jù)公式
i=l, 2,…，N，j=l, 2,…，N。構(gòu)造向量length，tength(i,j)表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i) 與無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (j)之間的距離。
[0011] 10)構(gòu)造N個(gè)向量M_n，length(n，j)小于R，則無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (j)為向量 M_n 中的元素，n=l，2，".，Ij=IJ, ".,N; 11)構(gòu)建向量NUM，NUM(I)中存放向量M_1中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，依次類推NUM(n) 中存放向量M_n中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，n=l，2，…，隊(duì)
[0012] 12)根據(jù)公式
計(jì)算無線傳感器節(jié)點(diǎn)組中所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)連通度的和W ; 13) 根據(jù)公式
構(gòu)造密度參數(shù)向量D，其中D (i)表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (i)在200米*200米的區(qū)域 中的密度參數(shù)。其中i=l，2，…，N ; 14) 根據(jù)公式
計(jì)算出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)劃分的網(wǎng)格的數(shù)目Num。b表示調(diào)節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng) 格個(gè)數(shù)的參數(shù)，其中b=l. 25。K表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
[0013] 15)根據(jù)公式
計(jì)算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格面積，用向量G表示，G (i)表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (i)的 網(wǎng)格面積，i=l，2，一,N。S表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)面積，在本專利中是40000平方米 的監(jiān)測(cè)面積；
flag (i) =Num, j=l,2,...，N，i=l，2，...，Num ; 18)構(gòu)造Num個(gè)向量L_h，h=l, 2，???，Num ;如果grid_flag(i)=h，則將無線傳感器節(jié)點(diǎn) Node(i)為向量 L_h 中的元素，i=l，2，...，N。
[0014] 19)構(gòu)造向量t，t(h)表示向量t中第h個(gè)元素。設(shè)選擇向量L_h中當(dāng)前能量最 多的無線傳感器節(jié)點(diǎn)為向量L_h的網(wǎng)格長(zhǎng)，用L_h(t(h))表示，其中h=l，2,…，Num;設(shè) ，y_y表示L_h (t (h))在平面坐標(biāo)系中X軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)。
[0015] 20)構(gòu)造矩陣length_C，length_C(m，h)為length_C矩陣中第m行第h列元素； 根據(jù)公式
其中 m=l，2，"-,1(,11=1,2, "'Num; 21)對(duì)于h=l, 2，…，Num，如果length_C(jn，w是矩陣IenStilJ]中第h列中行數(shù)m最小 的最小值，那么無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(h)為向量W_m中的元素，m=l, 2，…， Num0
[0016] 22)依次執(zhí)行步驟2到步驟23,運(yùn)行r=r+l輪，直到r=2000。
[0017] 本發(fā)明的積極效果是根據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的密度將監(jiān)測(cè)區(qū)域動(dòng)態(tài)的劃分網(wǎng)格，每 一個(gè)網(wǎng)格中根據(jù)能量的消耗動(dòng)態(tài)的選擇能量最多的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)格長(zhǎng)。網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù) 發(fā)送給網(wǎng)格長(zhǎng)，網(wǎng)格長(zhǎng)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，而后發(fā)送數(shù)據(jù)到距離最近的簇首。本 發(fā)明使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗更加均衡，能耗減少，同時(shí)延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
[0018]
【具體實(shí)施方式】
[0019] 基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格以及數(shù)據(jù)融合的分簇算法，其特征在于：包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)組，匯 聚節(jié)點(diǎn)，其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)組由N個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，分別用Node (i)表示，i=l, 2,…，N。 Node (i)隨機(jī)分布在200米*200米的區(qū)域中，^xi, 分別表示無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (i) 在平面坐標(biāo)系上的X軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)，i=l, 2，…，N ;匯聚節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)X軸坐標(biāo)和y軸坐 標(biāo)為（100米，100米）； 實(shí)現(xiàn)具體步驟如下： 1)對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)，它的初始能量表示，它的當(dāng)前能量用 EcUITOItO)表示，i = 1，2，…，N;無線傳感器節(jié)點(diǎn)功率放大器的能耗用^_!表示，它的自由 空間消耗的能量用 Sfs表示，它的發(fā)射電路消耗的能量Eeleet。構(gòu)造向量flag，flag(i)為 flag 中的第 i 個(gè)元素，flag(i)=l，i=l, 2，…，N ;構(gòu)造向量 locat_flag，locat_flag(i)為 locat_flag 中的第 i 個(gè)元素，locat_flag(i)=l，i=l，2，設(shè)變量r=l，r 表示無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)。
[0020] 2)匯聚節(jié)點(diǎn)將