基于節(jié)點能量均衡的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由領(lǐng)域，具體的本發(fā)明涉及基于節(jié)點能量均衡的異 構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法。根據(jù)相鄰層區(qū)域內(nèi)節(jié)點能量消耗均衡數(shù)學(xué)模型，計算 在節(jié)點能量均衡條件下相鄰層內(nèi)簇半徑的關(guān)系的一種方法。 技術(shù)背景
[0002] 近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs)的發(fā)展，無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已現(xiàn)于環(huán)境的檢測、空間的探索、軍事、智慧城市等，成為人們?nèi)粘Ｉ蠲?不可分的一部分。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由對于整個WSNs的技術(shù)實現(xiàn)來說是至關(guān)重要 的，有效而可靠的路由協(xié)議及其優(yōu)化方式是WSNs技術(shù)走向成熟的關(guān)鍵，其中，基于分簇的 路由協(xié)議由于在減少能量消耗的優(yōu)勢而被廣泛的應(yīng)用于各類路由協(xié)議中，但是分簇的路由 協(xié)議也有著自身的缺陷?，F(xiàn)今的分簇的路由協(xié)議分為兩種：均勾分簇路由協(xié)議和非均勾分 簇路由協(xié)議。非均勻分簇路由協(xié)議在繼承均勻分簇路由協(xié)議減少能量消耗的優(yōu)點上，同時 避免了網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)漏洞，即根據(jù)簇節(jié)點到基站距離來不均勻地調(diào)整簇半徑以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 外節(jié)點的能量消耗均衡，緩解漏洞的出現(xiàn)。
[0003] 目前針對異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法相關(guān)研宄文獻(xiàn)如下：
[0004] 1、Stanislava Soro 等人在 2005 年的《Prolonging the lifetime of wireless sensor networks via unequal clustering》提出一個非均勾分族算法，本算法先將網(wǎng)絡(luò) (圓型區(qū)域）過分層，通過計算分別將兩層均分，每一份即是一個簇（外層的簇大于內(nèi)層的 簇）。在簇內(nèi)選擇能量最大的作為簇頭。這種方式能夠很好的減少內(nèi)層簇的能量消耗，缺點 是非均勻簇的大小是固定的，簇內(nèi)能量消耗均衡性位置。
[0005] 2、Guihai Chen 等人在 2007 年的《An Unequal Cluster-based Routing Protocol in Wireless Sensor Networks》的非均勾分簇算法中簇頭選舉的方式是類似 HEED的，簇頭競爭后成簇也就是算法核心就是通過節(jié)點到sink的距離來計算簇競爭半徑
【主權(quán)項】
1. 一種基于節(jié)點能量均衡的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法，其特征在于包括w 下步驟： (1) 在Wsink節(jié)點為圓屯、、網(wǎng)絡(luò)半徑為R、節(jié)點W密度為P隨機(jī)均勻的布置在圓形網(wǎng) 絡(luò)中，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多層的區(qū)域劃分； (2) 計算在節(jié)點能量均衡條件下的相鄰層之間內(nèi)的簇半徑之間的關(guān)系，根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)每 輪運行時相鄰層的節(jié)點能量消耗總量除W各層的節(jié)點數(shù)的等式，W此來定量的計算在該個 等式成立條件下的相鄰層之間簇半徑的關(guān)系； (3) 在得到相鄰層之間簇半徑的關(guān)系后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體參數(shù)計算每個層簇半徑的具體 值，最后得到每個層最優(yōu)簇頭數(shù)，再由最優(yōu)簇頭數(shù)來確定每個層內(nèi)節(jié)點選舉簇頭的概率公 式； (4) 在成簇階段，相鄰層之間節(jié)點互不影響，即每個層內(nèi)節(jié)點分別加入各個層內(nèi)的簇， 普通節(jié)點選擇簇頭最近的簇頭加入，除此之外，除了簇頭因為在各層管理各自簇而有不同 的感知半徑外，簇成員節(jié)點擁有相同的感知半徑，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)節(jié)點無簇可加入的時候，節(jié) 點根據(jù)一跳范圍內(nèi)節(jié)點能量的比較，選擇能量最大的當(dāng)選簇頭，其它節(jié)點加入該個簇，若有 孤立節(jié)點，則自行成為簇頭。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點能量均衡的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法， 其特征在于，所述步驟（1)中的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多層的區(qū)域劃分方法為：根據(jù)具體環(huán)境要求確定 劃分區(qū)域的層數(shù)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點是隨機(jī)布置的，節(jié)點并無GI^S裝置W確定自身位置，但可通過 網(wǎng)絡(luò)初始化，根據(jù)sink發(fā)射的消息的信號強(qiáng)度RSSIW確定其與sink的距離和所在層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點能量均衡的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法， 其特征在于，所述步驟（1)中網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)體現(xiàn)在；網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的初始能量是不同的，并且簇 頭感知半徑根據(jù)所在層的不同而不同，但所有簇成員節(jié)點的感知半徑是一樣的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點能量均衡的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法， 其特征在于，所述步驟（2)中相鄰層之間簇半徑的關(guān)系的計算方法如下： 節(jié)點能量均衡體現(xiàn)在相鄰層之間每輪能量消耗比上各自層內(nèi)節(jié)點數(shù)后相等，即 ^ ^，其中&表示第i層一輪的能量消耗，Ni表示第i層節(jié)點數(shù)；W此來定量的計算 在該個等式成立條件下的相鄰層之間簇半徑的關(guān)系； 在簇內(nèi)節(jié)點到簇頭平均距離都小于闊值或=^/馬./斬p，且在簇頭之間傳輸距離小于 闊值d。時，得到第i層與第i+1層簇半徑關(guān)系為
其中，Eh是指處理化it的數(shù)據(jù)包時，在自由空間模型中放大器的能量消耗；Emp是指處理 化it的數(shù)據(jù)包時，在多徑衰減模型中，放大器的能量消耗；分別為第i層和第i+1層 的簇半徑，且^
其中，Ed。。是指在處理化it的數(shù) 據(jù)包時，發(fā)射電路和接收電路的能量消耗； 在簇內(nèi)節(jié)點到簇頭平均距離都小于闊值d。,且在簇頭之間傳輸距離小于闊值d。時，即
其中，ri、rw分別為第i層和第i+1層的簇半徑，且 宅
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點能量均衡的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法， 其特征在于，所述步驟（3)的最優(yōu)簇頭數(shù)的定義是建立最多簇頭數(shù)模型和最少簇頭數(shù)模 型，取兩種情況的平均值即是所求的最優(yōu)簇頭數(shù)，得到即為第i層內(nèi)的簇頭數(shù)， 其中表示第i層的簇半徑大小，Si為第i層的面積，在步驟（2)計算出相鄰層之間簇半 徑的關(guān)系后，再根據(jù)給定出的初始最外層半徑值，然后得到所有相鄰層的簇半徑，依次類推 計算網(wǎng)絡(luò)中全部層區(qū)域內(nèi)的簇半徑大小，最后即可得到各層的最優(yōu)簇頭數(shù)和各層的簇頭節(jié) 點的選舉概率，選舉概率公式如下：
PnormaU表示第i層的普通節(jié)點的簇頭選舉概率公式，P ad補ee。分別表示表示第i層的 普通節(jié)點高級節(jié)點的簇頭選舉概率公式，表示第i層的普通節(jié)點的超級節(jié)點的簇頭 選舉概率公式，其中，m為網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)節(jié)點數(shù)占總接單數(shù)比例，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)節(jié)點即高級節(jié)點和超 級節(jié)點，a，P大于1的常數(shù)；同時，對于i層的闊值函數(shù)應(yīng)有；
r是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運行的輪數(shù)，G是本輪網(wǎng)絡(luò)中仍未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點集合。
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于節(jié)點能量均衡的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇方法，本方法主要步驟主要包括以下：對圓形區(qū)域以sink為圓心進(jìn)行多層的區(qū)域劃分；計算在能量均衡條件下的相鄰層之間的簇半徑關(guān)系，主要根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)每輪運行時相鄰層的節(jié)點能量消耗總量除以各層的節(jié)點數(shù)的等式，來定量的計算在這個等式成立條件下的相鄰層之間簇半徑的關(guān)系；在得到相鄰層之間簇半徑的關(guān)系后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體參數(shù)計算每個層簇半徑的具體值，最后得到每個層最優(yōu)簇頭數(shù)，再由最優(yōu)簇頭數(shù)來確定每個層內(nèi)節(jié)點選舉簇頭的概率公式；相鄰層之節(jié)點簇頭選舉及成簇互不影響，即每個層內(nèi)節(jié)點分別加入各個層內(nèi)的簇。
【IPC分類】H04L12-715, H04W84-18, H04W40-02
【公開號】CN104796332
【申請?zhí)枴緾N201510250963
【發(fā)明人】韓光潔, 江旭, 劉立, 江金芳
【申請人】河海大學(xué)常州校區(qū)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年5月15日