基于能量自感閾值的無線傳感網絡分簇方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無線傳感網絡分簇方法及系統，尤其是涉及一種基于能量自感閾值的無線傳感網絡分簇方法及系統。本發(fā)明通過區(qū)域內能量消耗自適應遞歸的方式對自感閾值的計算，采取綜合考慮優(yōu)選系數及輪詢時間的方式完成區(qū)域結構的更新，保障CH節(jié)點的性能最優(yōu)，實現傳感數據在簇區(qū)域內的穩(wěn)定傳輸。
【專利說明】
基于能量自感闕值的無線傳感網絡分簇方法及系統
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種無線傳感網絡分簇方法及系統，尤其是設及一種基于能量自感闊 值的無線傳感網絡分簇方法及系統。
【背景技術】
[0002] 無線傳感網絡通過數量巨大的廉價傳感器節(jié)點進行組網，能夠有效的提高工業(yè)生 產等過程中的智能化程度。然而，由于傳感器節(jié)點具有能量受限的特性，一旦發(fā)生電池耗盡 的現象，則將出現因匯聚通道抖動嚴重而導致控制及匯聚受阻的現象。
[0003] 為解決當前無線傳感網絡技術中客觀存在的數據難W穩(wěn)定傳輸匯聚的問題，現有 技術提出了相應的數據傳輸方法：
[0004] 例如，Akyildiz等基于改進的能量感知穩(wěn)定策略，提出了自適應平衡方法(HDA方 法），有效減緩了數據隨機分布狀態(tài)下的穩(wěn)定傳輸問題，并優(yōu)化了數據傳輸路徑。但是，該方 法對節(jié)點密度非均衡分布狀態(tài)下的網絡節(jié)點及傳輸狀態(tài)考慮的不夠，導致當節(jié)點密度較低 且分布不均衡情況下網絡數據傳輸抖動嚴重，降低了傳感網絡性能。
[0005] 例如，SicMtiu等提出了基于粒子映射穩(wěn)定機制的節(jié)點流平衡選擇方法(GCPS方 法），實現了網絡擁塞狀態(tài)下對網絡數據的高效穩(wěn)定傳輸。然而，該機制對網絡傳輸受限狀 態(tài)下的考慮較少，難W在帶寬受限狀態(tài)下進行數據的高效穩(wěn)定傳輸。
[0006] 例如，Seema等提出了基于傳輸抖動控制的數據穩(wěn)定傳輸方法，實現了數據傳輸能 量的穩(wěn)定。但是該方法僅僅針對部分出現波動的分簇區(qū)域進行穩(wěn)定控制，對全網數據傳輸 波動方面考慮的不夠，削弱了方法的適用性。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對現有技術的W上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于能量自感闊值的無 線傳感網絡分簇方法及系統，其目的在于:優(yōu)化簇頭節(jié)點的選擇，解決當節(jié)點密度較低且分 布不均衡時，傳感器網絡數據傳輸抖動嚴重，性能下降的技術問題。
[000引本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得W解決的：
[0009] -種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，其將傳感器節(jié)點劃分為包括簇 頭節(jié)點和簇成員節(jié)點的簇，
[0010] 所述簇頭節(jié)點基于簇成員節(jié)點的能量自感闊值調整簇成員節(jié)點被選為簇頭節(jié)點 的概率;其中，所述能量自感闊值基于W下公式：
[0011]
[0012] 式中，H(i)表示節(jié)點i已經消耗的能量，i J為屬于相同簇的簇成員節(jié)點，PCH為簇 成員節(jié)點。
[0013] 優(yōu)選的，上述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，基于W下公式 計算簇成員節(jié)點被選取成為簇頭節(jié)點的選取系數m，并且，當且僅當的數值大于簇頭節(jié)點 的能量自感應闊值H_Door (CH)時，才進行更換：
[0014] )
[0015] 巧甲，Ql刃族犬T巧。
[0016] 優(yōu)選的，上述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，簇頭節(jié)點基于 W下公式判斷是否進行簇頭節(jié)點的更換：
[0017]
[0018] 式中，Time(i)為周期T內簇成員節(jié)點i成為簇頭節(jié)點所消耗的輪詢時間，AG [0，1] 為路徑調整因子，TG[0，1]為簇頭節(jié)點的更新周期，《G[0，1]為路徑遞歸因子；
[0019] 并且，當且僅當Time(i)小于T時，才進行簇頭節(jié)點的更新。
[0020] 優(yōu)選的，上述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，
[0021] 簇頭節(jié)點將簇成員節(jié)點發(fā)送的數據分割成Num條獨立的數據流進行傳輸;其中，基 于下式A管Num-
[0022]
[0023] 其中，n為調節(jié)參數;B為簇頭節(jié)點的帶寬，i，k為簇頭節(jié)點。
[0024] -種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，包括多個簇，并且簇內包括簇 頭節(jié)點和簇成員節(jié)點，其特征在于：
[0025] 所述簇頭節(jié)點基于簇成員節(jié)點的能量自感闊值調整簇成員節(jié)點被選為簇頭節(jié)點 的概率；
[0026] 甘rh CC皆谷b旦白成垃I化甘工I義下公式；
[0027]
[0028] 式中，H(i)表示節(jié)點i已經消耗的能量，i J為屬于相同簇的簇成員節(jié)點，PCH為簇 成員節(jié)點。
[0029] 優(yōu)選的，上述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，
[0030] 基于W下公式計算簇成員節(jié)點被選取成為簇頭節(jié)點的選取系數m，并且，當且僅 當m的數值大于簇頭節(jié)點的能量自感應闊值H_Door (CH)時，才進行更換：
[0031]
[0032] 式中，CH為簇頭節(jié)點。
[0033] 優(yōu)選的，上述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，簇頭節(jié)點基于 W下公式判斷是否進行簇頭節(jié)點的更換：
[0034]
[0035] 式中，Time(i)為周期T內簇成員節(jié)點i成為簇頭節(jié)點所消耗的輪詢時間，AG [0，1] 為路徑調整因子，TG[0，1]為簇頭節(jié)點的更新周期，《G[0，1]為路徑遞歸因子；
[0036] 并且，當且僅當Time(i)小于T時，才進行簇頭節(jié)點的更新。
[0037] 優(yōu)選的，上述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，簇頭節(jié)點將簇 成員節(jié)點發(fā)送的數據分割成Num條獨立的數據流進行傳輸;其中，基于下式計算Num:
[00；3 引
[0039] 其中，n為調節(jié)參數;B為簇頭節(jié)點的帶寬，i，k為簇頭節(jié)點。
[0040] 總體而言，本發(fā)明所構思的W上技術方案與現有技術相比，具有W下優(yōu)點:通過區(qū) 域內能量消耗自適應遞歸的方式對自感闊值的計算，采取綜合考慮優(yōu)選系數及輪詢時間的 方式完成區(qū)域結構的更新，保障CH節(jié)點的性能最優(yōu)，實現傳感數據在簇區(qū)域內的穩(wěn)定傳輸。
【附圖說明】
[0041] 附圖1是本發(fā)明的區(qū)域闊值成型流程圖；
[0042] 附圖2本發(fā)明的簇間分流優(yōu)化流程圖。
【具體實施方式】
[0043] 下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
[0044] 實施例：
[0045] 本實施例通過對網絡流資源進行分割優(yōu)化，實現簇內優(yōu)化傳輸，同時針對簇間區(qū) 域路徑抖動問題，采取簇間路由優(yōu)化機制，最終達到路徑穩(wěn)定的目的。整個算法由基于自感 闊值的區(qū)域成型和簇間分流優(yōu)化兩個過程。
[0046] 1、基于自感闊值的區(qū)域成型
[0047] 在傳感網開始運作時候，承擔數據上傳任務的節(jié)點(UH節(jié)點）將自身精確時鐘信息 (Timer) W廣播形式發(fā)送，節(jié)點i在接收到Timer分組報文之后，根據自身位置坐標與UH節(jié)點 間進行距離計算，得到距離最近的節(jié)點作為簇頭節(jié)點（CH節(jié)點）。在確定自身隸屬的簇區(qū)域 后，節(jié)點i將自身標記為簇成員節(jié)點(PCH節(jié)點），并將自身信息WHel Io分組的形式廣播到CH 節(jié)點中。
[004引考慮到化Ilo分組攜帶了發(fā)射節(jié)點全部的能量消耗信息，可反映能量消耗速度，而 CH節(jié)點首先需要綜合考慮區(qū)域內的其他節(jié)點能量消耗情況，然后根據能量情況的排序實現 對區(qū)域內的CH節(jié)點更新，因此可W根據區(qū)域內其他節(jié)點能量加權評估的方式對當前CH節(jié)點 狀況進行估計。
[0049] CH節(jié)點在接收到化1 Io分組之后，計算節(jié)點i的能量自感闊值山0〇〇'(i):
[(K)加]
[0051 ]共中，HU j巧不T巧IG妊巧巧的能量，j為隸屬于與節(jié)點i同區(qū)域內的其他PCH節(jié)
點。
[0052]若節(jié)點i希望通過選舉的方式成為CH節(jié)點，則需要通過模型（1)計算路徑自感闊 值，由于區(qū)域內的任意一個節(jié)點都有機會被選取為CH節(jié)點，不妨設當前節(jié)點為i，其自感闊 值為H_Door( i )，顯然該闊值越大，表明該節(jié)點的性能越好，一旦當前CH節(jié)點出現故障，則節(jié) 點i被選舉為CH節(jié)點的可能性也就越大。為便于計算，通過綜合考慮區(qū)域內節(jié)點的闊值加權 EH_Door(i)并考慮當前CH節(jié)點對下一時刻的闊值具有正向的反饋，因此計算選取系數m 來進行CH節(jié)點競爭判斷：
[0化3]
[0054]當且僅當iii的數值大于H_Door(CH)時，才進行簇頭節(jié)點更換。由于模型（2)的數值 大小對節(jié)點更換過程影響很大，在一定周期T節(jié)點i成為CH節(jié)點所消耗的輪詢時間Time(i) 為：
[0化5;
[0056] 其中，AG [0，1]為路徑調整因子，TG [0，1]為簇頭節(jié)點的更新周期，COG [0，1]為 路徑遞歸因子。當僅當Time(i)小于T時，才進行CH節(jié)點的更新。
[0057] 整個區(qū)域闊值成型流程如圖1所示。從圖1可知，當前CH節(jié)點一方面不斷接受當前 PCH節(jié)點罰沒款的信息，同時將Timer分組進行廣播，且PCH節(jié)點不斷進行自感闊值的計算， 一旦當前PCH節(jié)點的自感闊值達到模型（2)的觸發(fā)條件，即進行CH節(jié)點更換，并建立新的簇 區(qū)域結構，直到再次觸發(fā)更換條件為止。
[005引2、簇間分流優(yōu)化
[0059] 在完成區(qū)域闊值成型過程之后，將啟動簇間數據流資源的分割，CH節(jié)點在接收到 PCH節(jié)點發(fā)送的數據資源之后，將分割成多個并發(fā)傳輸的數據分組，隨后將運些數據分組W 最小成本代價發(fā)送至其他CH節(jié)點。
[0060] 設某個CH節(jié)點在接收其他PCH節(jié)點發(fā)送的數據之后，W帶寬B將數據分割為Num個 獨立的數據流進行發(fā)送，對于該CH節(jié)點而言，下一跳的全部其他區(qū)域的CH節(jié)點均可W作為 傳輸路徑的下一跳節(jié)點，且通過合理選取下一跳的CH節(jié)點將能夠有效的降低發(fā)送能量開 支，因此對于當前CH節(jié)點i而言，計算其能力消耗H(i)及與其他節(jié)點k能量消耗H化)的比例， 能夠將傳輸帶寬進行再分配，同時降低能量消耗。此外數據發(fā)送過程中的最大帶寬不能超 過當前網絡的最大傳輸帶寬B，因此可將當前數據分割為Num條子路徑的方式進行數據傳 輸。
[0061] Num的計算公式如下所示：
[0062]
[0063] 共T，11戶」調,^勁_，一服|A」~p巧、個數的倒數；B為簇頭節(jié)點的帶寬，i , k為簇
頭節(jié)點。
[0064] 當前CH節(jié)點完成對即將上傳的數據進行分割之后，設CH節(jié)點Q節(jié)點）將Num個獨立 的數據流傳輸至下一個CH節(jié)點，若為k節(jié)點，當m、Time(i)能夠同時與節(jié)點k實現比例最大 化，即化和Time(i)與化及Time化)的比值同時取最大時，說明傳輸中節(jié)點i消耗的能量最小， 消耗的時間景化，剛景優(yōu)流傳輸巧敬F…"滿忠：
[00 化]
[0066] 其中4為比例系數，一般取0.5~1。
[0067] 當前CH節(jié)點通過不斷計算與其他節(jié)點之間的最優(yōu)函數，選取數值最大的最優(yōu)函數 對應的節(jié)點k作為下一跳節(jié)點，則完成整個數據路徑選取優(yōu)化過程。
[0068] 整個流程如圖2所示。從流程圖可W看到，當前CH節(jié)點在選取傳輸路徑時，會首先 對可能的下一跳CH節(jié)點進行捜尋，并根據模型(4)、（5)計算結果得到最優(yōu)傳輸函數，然后將 前Num個最大的最優(yōu)傳輸函數對應的下一跳CH節(jié)點作為傳輸節(jié)點，從而實現了數據傳輸。該 過程不斷遞歸，直到數據被傳輸到sink節(jié)點中為止。
[0069] 本文中所描述的具體實施例僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域 的技術人員可W對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代， 但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【主權項】
1. 一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，其將傳感器節(jié)點劃分為包括簇頭 節(jié)點和簇成員節(jié)點的簇，其特征在于： 所述簇頭節(jié)點基于簇成員節(jié)點的能量自感闊值調整簇成員節(jié)點被選為簇頭節(jié)點的概 率;其中，所述能量自感闊值基于W下公式：式中，H(i)表示節(jié)點i已經消耗的能量，i，j為屬于相同簇的簇成員節(jié)點，PCH為簇成員 節(jié)點。2. 根據權利要求1所述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，其特征在 于： 基于W下公式計算簇成員節(jié)點被選取成為簇頭節(jié)點的選取系數μι，并且，當且僅當μι的 數值大于簇頭節(jié)點的能量自感應闊值山〇。。,(〇0時，才進行更換：式中，CH為簇頭節(jié)點。3. 根據權利要求1所述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，其特征在 于： 簇頭節(jié)點基于W下公式判斷是否進行簇頭節(jié)點的更換：式中，Time(i)為周期Τ內簇成員節(jié)點i成為簇頭節(jié)點所消耗的輪詢時間，λε[〇，1]為路 徑調整因子，Te[0，i]為簇頭節(jié)點的更新周期，ωε[0，ι]為路徑遞歸因子； 并且，當且僅當Time (i)小于Τ時，才進行簇頭節(jié)點的更新。4. 根據權利要求1所述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇方法，其特征在 于： 簇頭節(jié)點將簇成員節(jié)點發(fā)送的數據分割成Num條獨立的數據流進行傳輸;其中，基于下 式計算Num:其中，η為調節(jié)參數;B為簇頭節(jié)點的帶寬，i，k為簇頭節(jié)點。5. -種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，包括多個簇，并且簇內包括簇頭 節(jié)點和簇成員節(jié)點，其特征在于： 所述簇頭節(jié)點基于簇成員節(jié)點的能量自感闊值調整簇成員節(jié)點被選為簇頭節(jié)點的概 率. 其中，所述能量自感闊值基于W下公式：式中，H(i)表示節(jié)點i已經消耗的能量，i J為屬于相同簇的簇成員節(jié)點，PCH為簇成員 節(jié)點。6. 根據權利要求5所述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，其特征在 于： 基于W下公式計算簇成員節(jié)點被選取成為簇頭節(jié)點的選取系數μι，并且，當且僅當μι的 數值大于簇頭節(jié)點的能量自感應闊值山〇。。,(0〇時，才進行更換：式中，CH為簇頭節(jié)點。7. 根據權利要求5所述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，其特征在 于： 簇頭節(jié)點基于W下公式判斷是否進行簇頭節(jié)點的更換：式中，Time(i)為周期Τ內簇成員節(jié)點i成為簇頭節(jié)點所消耗的輪詢時間，λε[〇，1]為路 徑調整因子，Te[〇，i]為簇頭節(jié)點的更新周期，ωε[〇，ι]為路徑遞歸因子； 并且，當且僅當Time (i)小于Τ時，才進行簇頭節(jié)點的更新。8. 根據權利要求5所述的一種基于能量自感闊值的無線傳感網絡分簇系統，其特征在 于： 簇頭節(jié)點將簇成員節(jié)點發(fā)送的數據分割成Num條獨立的數據流進行傳輸;其中，基于下 式計算Num:其中，η為調節(jié)參數;B為簇頭節(jié)點的帶寬，i，k為簇頭節(jié)點。
【文檔編號】H04W40/14GK105979561SQ201610536753
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】胡艷華, 韋靈, 倪志平, 黎偉強
【申請人】廣西科技大學鹿山學院