一種低開銷收斂快的無線傳感網(wǎng)分布式平均方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低開銷收斂快的無線傳感網(wǎng)分布式平均方法，其特征在于通過分簇技術(shù)，通過簇頭節(jié)點執(zhí)行分布式平均，減少迭代過程中通信開銷，并有效提升收斂速度，具體包括以下步驟：(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過分簇算法進行分簇，節(jié)點分為普通節(jié)點和簇頭節(jié)點兩類，普通節(jié)點確定自己所屬的簇和簇頭；網(wǎng)內(nèi)每一個節(jié)點對觀測對象進行測量，獲取測量值并將其當(dāng)做初步估計值；簇頭節(jié)點進行簇內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并計算出簇內(nèi)初步估計值的總和；(4)簇頭節(jié)點與周圍相鄰的簇頭節(jié)點執(zhí)行分布式平均算法；(5)簇頭節(jié)點進行簇內(nèi)估計值更新操作，完成全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平均值的計算。提供的方法結(jié)合傳感網(wǎng)的技術(shù)特點是通信開銷少，收斂速度快并可保證收斂性能，適用于無線傳感器網(wǎng)路數(shù)據(jù)融合和時間同步。
【專利說明】一種低開銷收斂快的無線傳感網(wǎng)分布式平均方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)的分布式平均方法，更確切地說本發(fā)明涉及一種低開銷收斂快的無線傳感網(wǎng)分布式平均方法，以計算網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平均值為目標，可為傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合和時間同步技術(shù)提供支持。屬于無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在一定區(qū)域內(nèi)的大量隨機布設(shè)的節(jié)點組成，節(jié)點之間通過無線鏈路相互通信，形成一種完全分布式的自組織網(wǎng)絡(luò)。此類節(jié)點通常攜帶不同類型的傳感器，可有效檢測大范圍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，為國防安全、國民生產(chǎn)和社會生活提供服務(wù)。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一是時間同步技術(shù)。此技術(shù)可為多項傳感網(wǎng)應(yīng)用提供服務(wù)，主要包括:調(diào)度算法，睡眠機制，數(shù)據(jù)融合，定位技術(shù)等。研究精度高，魯棒性良好的同步算法是傳感網(wǎng)的一個非常重要的課題。無線傳感網(wǎng)的一項技術(shù)特點在于其數(shù)據(jù)融合方案。數(shù)據(jù)融合技術(shù)負責(zé)匯聚網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，并將其反饋給監(jiān)測中心或者全網(wǎng)絡(luò)。
[0004]分布式平均能夠為傳感網(wǎng)時間同步和數(shù)據(jù)融合提供算法模型。它適用于分布式時間同步算法，可提供一種魯棒性高，抗毀性強的時間同步協(xié)議。它也可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)融合的設(shè)計，能夠通過完全分布式的方案為節(jié)點提供全網(wǎng)絡(luò)測控數(shù)據(jù)的平均值。當(dāng)前的研究多基于如何將分布式平均應(yīng)用于以上兩種服務(wù)，卻鮮有實例能夠結(jié)合傳感網(wǎng)當(dāng)前的技術(shù)特點，對分布式平均進行改進。當(dāng)前的分布式平均方法普遍存在通信開銷大和收斂速度慢的缺點。分布式平均要求節(jié)點與鄰居進行局部信息交互，并進行多次迭代更新[Olfat1-SaberR, Fax J A, Murray R M.Consensus and cooperation in networked mult1-agentsystems [J], Proceedings of the IEEE, 2007,95 (I):215-233.]。其收斂速度與與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大則收斂速度越慢[LiQ, Rus D.Global clock synchronization insensor networks [J].Computers, IEEE Transactions on, 2006, 55 (2):214-226.]。分布式平均每次迭代過程都引入通信開銷，并且算法迭代次數(shù)越多其通信開銷越大。針對以上問題，本發(fā)明擬提出基于分簇架構(gòu)的分布式平均方法，以降低數(shù)據(jù)通信量和提升算法收斂速度為主要目標的發(fā)明構(gòu)思。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種低開銷收斂快的無線傳感網(wǎng)分布式平均方法，以適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合和時間同步協(xié)議。本發(fā)明是基于分簇技術(shù)，通過簇頭節(jié)點執(zhí)行分布式平均，可減少迭代過程中通信開銷，有效提升收斂速度。主要包括以下步驟:
[0006](I)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過分簇算法進行分簇，節(jié)點分為普通節(jié)點和簇頭節(jié)點兩類，普通節(jié)點確定自己所屬的簇和簇頭；
[0007](2)網(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點對觀測對象進行測量，獲取測量值并將其當(dāng)做初步估計值；[0008](3)簇頭節(jié)點進行簇內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并計算出簇內(nèi)初步估計值的總和；
[0009](4)簇頭節(jié)點與周圍相鄰的簇頭節(jié)點執(zhí)行分布式平均；
[0010](5)簇頭節(jié)點進行簇內(nèi)估計值更新操作，完成全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平均值的計算。
[0011]步驟(I)要求簇頭節(jié)點獲取簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)信息。
[0012]步驟(3)需要簇內(nèi)普通節(jié)點上傳自己的初步估計值給簇頭節(jié)點,簇頭節(jié)點采集完簇內(nèi)普通節(jié)點初步估計值后，計算平均值并在簇內(nèi)廣播，簇內(nèi)普通節(jié)點將該平均值作為當(dāng)前估計值，簇頭節(jié)點將全簇數(shù)據(jù)之和作為自己的當(dāng)前估計值。
[0013]步驟⑷包括以下子步驟:
[0014](41)簇頭節(jié)點與周圍簇頭鄰居相互交換當(dāng)前估計值和簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量；
[0015](42)簇頭節(jié)點計算自己估計值與鄰居簇頭節(jié)點估計值的方差；
[0016](43)簇頭節(jié)點計算估計值的更新量，并進行估計值更新操作；簇頭節(jié)點更新自己的估計值；
[0017](44)簇頭根據(jù)步驟(42)計算出的方差判斷是否需要繼續(xù)迭代；
[0018]步驟(5)，具體包括簇頭節(jié)點處理自己的估計值，求取全簇平均后將其廣播，簇內(nèi)各節(jié)點利用該平均值作為全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平均值。
[0019]步驟(43)要求簇頭節(jié)點利用自身估計值、簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量、鄰居簇頭估計值和鄰居簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量對估計值更新。
[0020]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有方法相比可降低通信開銷，提升收斂速度并保證網(wǎng)絡(luò)收斂到平均值。發(fā)明通過簇頭節(jié)點代替普通節(jié)點執(zhí)行分布式平均計算。由文獻[Olfat1-Saber R, Fax J A, Murray R M.Consensus and cooperation innetworked mult1-agent systems[J].Proceedings of the IEEE,2007,95 (I):215-233.],[LiQ, Rus D.Global clock synchronization in sensor networks[J].Computers, IEEETransactions on, 2006, 55 (2):214-226.]可知，分布式平均的收斂速度與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模成反t匕。簇頭節(jié)點形成的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模遠小于普通節(jié)點形成的網(wǎng)絡(luò)。因此，本發(fā)明的收斂速度遠大于普通分布式平均方法。收斂速度的提升意味著迭代次數(shù)的降低，本發(fā)明通過降低迭代次數(shù)以降低通信開銷。另外，簇頭節(jié)點間進行信息交互的通信量也遠低于普通節(jié)點間進行信息交互的通信量。以上兩方面決定了本發(fā)明是一種低開銷的分布式平均方法。適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合和時間同步，能提供全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平均值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為簇頭節(jié)點迭代流程圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合具體例子對本發(fā)明進行詳細說明，以示本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進
止/J/ O
[0023]需強調(diào)的是所列舉的實例只為更好的說明本發(fā)明，它并不限制本發(fā)明的適用范圍。此外，在了解了本發(fā)明的具體實施方法后，相關(guān)研究者可以對本發(fā)明進行修改，這些等價修改同樣落于本發(fā)明所附權(quán)利要求書限定的范圍內(nèi)。
[0024]本發(fā)明的實施例子涉及一種低開銷快速分布式平均方法，包括以下步驟:[0025]步驟一，傳感器網(wǎng)絡(luò)按常用分簇算法進行分簇。分簇算法需保證所有簇頭的覆蓋并集為整個網(wǎng)絡(luò)，并保證每個節(jié)點只屬于一個簇頭。簇頭節(jié)點可獲取簇內(nèi)節(jié)點的標識，并統(tǒng)計出簇內(nèi)普通節(jié)點個數(shù)。
[0026]步驟二，網(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點都利用自己的傳感器對觀測對象進行測量，并獲得測量值
Uo
[0027]步驟三，簇內(nèi)普通節(jié)點將自己測量到的數(shù)值和標識組成一個數(shù)據(jù)包，將該數(shù)據(jù)包上傳給簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點i計算出簇內(nèi)測量值之和
【權(quán)利要求】
1.一種低開銷收斂快的無線傳感網(wǎng)分布式平均方法，其特征在于通過分簇技術(shù)，通過簇頭節(jié)點執(zhí)行分布式平均，減少迭代過程中通信開銷，并有效提升收斂速度，具體包括以下步驟: (1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過分簇算法進行分簇，節(jié)點分為普通節(jié)點和簇頭節(jié)點兩類，普通節(jié)點確定自己所屬的簇和簇頭； (2)網(wǎng)內(nèi)每一個節(jié)點對觀測對象進行測量，獲取測量值并將其當(dāng)做初步估計值； (3)簇頭節(jié)點進行簇內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并計算出簇內(nèi)初步估計值的總和； (4)簇頭節(jié)點與周圍相鄰的簇頭節(jié)點執(zhí)行分布式平均算法； (5)簇頭節(jié)點進行簇內(nèi)估計值更新操作，完成全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平均值的計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)所述的簇頭節(jié)點獲取簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)所述的簇內(nèi)普通節(jié)點上傳自己的初步估計值給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點采集完簇內(nèi)普通節(jié)點初步估計值后，計算平均值并在簇內(nèi)廣播，簇內(nèi)普通節(jié)點將該平均值作為當(dāng)前估計值，簇頭節(jié)點將全簇數(shù)據(jù)之和作為自己的當(dāng)前估計值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)包括以下子步驟: (41)簇頭節(jié)點與周圍簇頭鄰居相互交換當(dāng)前估計值和簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量； (42)簇頭節(jié)點計算自己估計值與鄰居簇頭節(jié)點估計值的方差； (43)簇頭節(jié)點計算估計值的更新量，并進行估計值更新操作；簇頭節(jié)點更新自己的估計值； (44)簇頭根據(jù)子步驟(42)計算出的方差判斷是否需要繼續(xù)迭代。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(5)包括簇頭節(jié)點處理自己的估計值，求取全簇平均后將其廣播，簇內(nèi)節(jié)點利用該平均值作為全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平均值。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟(4)的子步驟(43)所述的簇頭節(jié)點利用自身估計值、簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量、鄰居簇頭估計值和鄰居簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量對估計值更新。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的方法，其特征在于: ①步驟(1)所述的分簇算法需保證所有簇頭的覆蓋并集為整個網(wǎng)絡(luò)，并保證每個節(jié)點只屬于一個簇頭；簇頭節(jié)點可獲取簇內(nèi)節(jié)點的標識，并統(tǒng)計出簇內(nèi)普通節(jié)點個數(shù)； ②步驟(2)中所述的網(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點都利用自己的傳感器對觀測對象進行測量，并獲得測量值u ； ③步驟(3)中所述的簇內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計是簇內(nèi)普通節(jié)點將自己測量到的數(shù)值和標識組成一個數(shù)據(jù)包，然后將該數(shù)據(jù)包上傳給簇頭節(jié)點；簇頭節(jié)點i計算出簇內(nèi)測量值之和 ^/(1) = ^
keCi 式(；中代表簇頭節(jié)點所覆蓋的簇內(nèi)節(jié)點；簇頭將該數(shù)值以廣播方式反饋給簇內(nèi)各節(jié)點，普通節(jié)點將該數(shù)值作為初步網(wǎng)絡(luò)估計值； ④子步驟(42)中所述的簇頭節(jié)點計算自己估計值與鄰居簇頭的方差是
【文檔編號】H04W40/02GK103945485SQ201410180555
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】王晶, 張帥, 高丹, 華昕佳, 劉燁, 于峰 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所