基于路徑能量消耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的多層分簇算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種基于路徑能量消耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的多層分簇算法，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 的的協(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)場敵情監(jiān)測、水下環(huán)境探測以及地震預(yù)警等環(huán)境艱苦以及人 力無法到達(dá)的場景。WSN具有非常廣泛的應(yīng)用前景，并且具有巨大的研宄價(jià)值。
[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)來研宄新的算法來滿足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 (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)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)送到匯聚節(jié) 點(diǎn)（Sink)〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于路徑能量消耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的多層分簇算法， 其可以均衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，減少能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于路徑能量消耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的多層分簇 算法，包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)組，匯聚節(jié)點(diǎn)，其特征在于：無線傳感器節(jié)點(diǎn)組由200個(gè)無線傳 感器節(jié)點(diǎn)，分別用Node⑴表示，i=l，2，…，200。Node⑴隨機(jī)分布在200米*200米的 區(qū)域中，F(xiàn)i)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坐標(biāo)， i=l, 2，…，200 ;匯聚節(jié)點(diǎn)平面坐標(biāo)系上的X軸坐標(biāo)和y坐標(biāo)（100米，100米)。
[0007] 具體完成步驟如下： 1、對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)，它的初始能量用￡"^(〇表示，它的當(dāng)前能量用 Eetimat(〇表示，它的功率放大器的能耗用(〇表示，它的自由空間消耗的能量用ε ft(i〕 表示，它的發(fā)射電路消耗的能量Eeteet(i'），i=l，2，…，200 ;構(gòu)造向量flag，flag⑴為flag 中的第i個(gè)元素，flag(i)=l，i=l, 2，…，200 ;設(shè)變量r=l。
[0008] 2、匯聚節(jié)點(diǎn)2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1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1內(nèi)的每個(gè)無線傳感 器節(jié)點(diǎn)記錄下匯聚節(jié)點(diǎn)2的位置消息。
[0009] 3、對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)組1中無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node (i)，根據(jù)公式
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于路徑能量消耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的多層分簇算法，包括無線傳感器節(jié) 點(diǎn)組，匯聚節(jié)點(diǎn)，其特征在于：無線傳感器節(jié)點(diǎn)組由200個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，分別 用Node(i)表示，i=l，2，…，200;Node(i)隨機(jī)分布在200米*200米的區(qū)域中， ，？〇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坐標(biāo)， i=l, 2，…，200 ;匯聚節(jié)點(diǎn)平面坐標(biāo)系上的x軸坐標(biāo)和y坐標(biāo)（100米，100米）；具體完成 步驟如下： 1) 、對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)，它的初始能量用民此?表示，它的當(dāng)前能量用 ⑴表示，它的功率放大器的能耗用e_PW表示，它的自由空間消耗的能量用efBCd 表示，它的發(fā)射電路消耗的能量Eeleet(f)，i=l，2，…，200 ;構(gòu)造向量flag，flag⑴為flag中的第i個(gè)元素，flag(i)=l，i=l, 2，…，200 ;設(shè)變量r=l; 2) 、匯聚節(jié)點(diǎn)2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)的每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn) 記錄下匯聚節(jié)點(diǎn)的位置消息； 3)、對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)組1中無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)，根據(jù)公式
計(jì)算D(i)，i=l，2，...，200; 4) 、根據(jù)公式
式中i=l，2，…，200,n的值為大于等于3000并且小于等于4000的整數(shù)，計(jì)算無線傳 感器節(jié)點(diǎn)Node(i)到匯聚節(jié)點(diǎn)2能量消耗，用First_Energy(i)表示，i=l, 2，…，200; 5) 、根據(jù)公式
計(jì)算出所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗和，用Energy_Sink表示； 6) 、根據(jù)公式
計(jì)算出無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)到匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗在所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)到匯聚節(jié)點(diǎn)能量和所占的比例，用RateSink(i)表示，i=l，2，???JOO; 7) 、根據(jù)公式
計(jì)算無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)當(dāng)前剩余能量和無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)初始能量的比 率，用Ratel(i)表示，i=l，2，...，200; 8) 、構(gòu)建隨機(jī)數(shù)向量M，M(i)為向量M中的第i個(gè)元素，M(i)為隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字，其值 大于0并且小于等于1，i=l，2，…，200; 9) 、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，…，200; 10) 、如果M(i)小于T(i)，那么flag(i)等于0，i=l，2,???JOO;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)等于0,那么Node(i)為一級(jí)簇頭向量C中的元 素，i=l，2，…，200;C(m)為向量C中的第m個(gè)元素，m=l，2，…，k;設(shè)(xm，表示C(m) 在平面坐標(biāo)系中x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)；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; 11) 、根據(jù)公式
其中m=l，2，...，k，i=l，2，...，200; 構(gòu)造矩陣length_C，length_C(m，i)為16叩1:11_(]矩陣中第m行第i列元素； 12) 、對(duì)于i=l, 2，…，200,如果length_C(m，i)為矩陣length_C中第i列中的第一個(gè) 最小值，那么無線傳感器接節(jié)點(diǎn)Node(i)為向量W_m中的元素，W_m中元素的個(gè)數(shù)用U_m 表示，其中m=l，2，…，讓；
是W_m(i)在平面坐標(biāo)系中的X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)，其中i=l，…，U_ m;m=l，2，...，k; 13)、根據(jù)公式
構(gòu)建k個(gè)向量，分別用D_m表示，D_m⑴為向量D_m第i個(gè)元素，m=l, 2,…，k，i=l，… ,U_m; 14)、根據(jù)公式
構(gòu)建k個(gè)向量，分別用Sec:ond_Energy_m表示，Seeond_Energy_ifi(i)為向量 Seamd_Energy_m第i個(gè)元素，i=l，???，U_m;m=l, 2，???，k;n值為大于等于 3000 并且小 于等于4000的整數(shù)； 15) 、根據(jù)公式
計(jì)算向量Second_Energy_m內(nèi)所有元素的和Energy_Cluster_m，其中，m=l, 2，…，k; 16) 、根據(jù)公式
構(gòu)建向量k個(gè)向量，分別用Rate_m表示，Rate_m(i)為向量Rate_m內(nèi)第i個(gè)元素，其 中m=l，2，...，k，i=l，...，U_m; 17)、根據(jù)公式
構(gòu)建k個(gè)向量，分別用Rate2_m表示，Rate2_m⑴表示為向量Rate2_m內(nèi)第i個(gè)元素， 其中m=l，2，...，k，i=l，…，U_m; 18)、構(gòu)建隨機(jī)數(shù)向量N_m，N_m⑴為向量N中的第i個(gè)元素，N_m⑴為隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù) 字，其值大于〇并且小于等于1，m=l，2，???，k，i=l， 19) 、根據(jù)公式
計(jì)算無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)的閾值，用T_m(i)表示，i=l，，m=l，2，…，讓； 20)、如果N_m(i)小于T_m(i)，那么flag_m(i)等于0,設(shè)向量flag_m中等于0的元素 的個(gè)數(shù)為 a, i=l，，m=l，2，…，讓； 依次判斷，如果flag_m⑴等于0,那么Node_m⑴為二級(jí)簇頭向量C_S中的元素， i=l，…，U_a;C_S(b)為向量C_S中的第b個(gè)元素，b=l，2，…，a;設(shè)(、，表示C_S(b) 在平面坐標(biāo)系中x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)；構(gòu)造a個(gè)向量，分別用M_b表示，M_b中的第一個(gè)元 素為C_S(b)，b=l，2，…，a; 21) 、根據(jù)公式
其中b=l, 2，…，a，i=l, 2，…，U_m，構(gòu)造矩陣length_C_S，〖ength_C_S(b，i)為矩陣 length_C_S中第b行第i列元素； 22) 、對(duì)于i=l, 2,…，U_m，如果】ength_C_S(b，i)是矩陣length_C_S中第i列中的第一 個(gè)最小值，那么無線傳感器節(jié)點(diǎn)Node(i)為向量M_b中的元素，b=l，2，"^a;設(shè)r=r+l; 23) 、依次執(zhí)行步驟2到步驟22,直到r=2001。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于路徑能量消耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的多層分簇算法，包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)組，匯聚節(jié)點(diǎn)，其特征在于：無線傳感器節(jié)點(diǎn)組由200個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，分別用Node(i)表示，i=1,2…,200。Node(i)隨機(jī)分布在200米*200米的區(qū)域中，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坐標(biāo)，i=1,2，…,200；匯聚節(jié)點(diǎn)平面坐標(biāo)系上的x軸坐標(biāo)和y坐標(biāo)（100米,100米）。其可以均衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，減少能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
【IPC分類】H04W84-18, H04W52-02, H04W40-10
【公開號(hào)】CN104780583
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510181827
【發(fā)明人】馮欣, 劉壯, 韓成, 張劍飛, 張昕, 李騰, 王雁龍, 張晶晶, 楊文龍
【申請(qǐng)人】長春理工大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日