一種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建與路由方法
【專利摘要】一種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建與路由方法，根據(jù)距離SN由近至遠(yuǎn)的順序，通過若干輪簇構(gòu)建操作構(gòu)建大小不均勻的若干簇；除了直接與匯聚節(jié)點(diǎn)SN通信的傳感器節(jié)點(diǎn)SUs，其它的SUs都被唯一的簇覆蓋；每一輪簇構(gòu)建操作都依次執(zhí)行簇半徑計算、簇頭即CH選擇、簇信道選擇和簇結(jié)構(gòu)形成；在簇半徑計算過程中，分析三種情況的能量消耗情況：與SN近距離的節(jié)點(diǎn)能量消耗情況、最靠近SN的簇的簇頭能量消耗情況、其它離SN較遠(yuǎn)的簇的簇頭能量消耗情況，通過構(gòu)建非均勻簇來均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、可用信道數(shù)和與上流簇頭的距離三個方面來選擇簇頭。本發(fā)明有利于均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
【專利說明】
-種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建與路由方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇 構(gòu)建與路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR)是一種智能通信系統(tǒng)，它可W使未經(jīng)授權(quán)的二 級用戶（SecondaiT Users，SUs)在對初級用戶（PrimaiT Users，PUs)不產(chǎn)生干擾的情況下， 感知和使用空閑頻譜。通過有效地使用頻譜資源可W提高網(wǎng)絡(luò)性能。把CR功能配置在無線 傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor)上，由此形成了一種新的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，即認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Cognitive Radio Sensor Network，CRSN)。
[0003] 在CRSN中，Sensor可w通過頻譜感知探測可用信道，并通過頻譜決策來選擇通信 信道。一旦PU出現(xiàn)在Sensor的通信信道上，Sensor就能夠立刻檢測到并轉(zhuǎn)換到其他空閑信 道。
[0004] 由于CRSN是WSN(Wireless Sensor化twork，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）和CR的結(jié)合，因此 在CRSN中，不僅需要考慮來自WSN的能量約束問題，而且需要克服頻譜感知和頻譜管理的問 題。已有研究工作表明簇結(jié)構(gòu)可W有效地減少WSN中的能量消耗，可W支持CR操作的協(xié)作， 如頻譜感知和信道訪問，是一種有效管理拓?fù)?，增加系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)性能和穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)化 方法。
[0005] 近年來，有些國內(nèi)外學(xué)者提出了 CRSN中的簇構(gòu)建算法U-W。在運(yùn)些簇算法研究工作 中，簇的形成W及信道選擇過程中，均考慮了能量和頻譜問題，旨在于延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。已 有研究工作存在W下考慮不足之處：
[0006] (1)網(wǎng)絡(luò)中需要至少一條全局公共信道（CommonControl化annel，CCC)用于信息 傳輸，運(yùn)在實(shí)際環(huán)境下是很難實(shí)現(xiàn)的。
[0007] (2)已有工作通過最小化總的能量消耗來延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。然而，要延長網(wǎng)絡(luò)的壽 命，僅僅通過最小化總的能量是不夠的，還需要均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
[000引目前，CRSN是熱口的研究課題，國內(nèi)外研究學(xué)者針對其中的能耗與頻譜分配提出 了一些簇算法n-9]。
[0009] 文獻(xiàn)[3]中，作者提出了一種頻譜感知簇路由協(xié)議SCR，它是CRSN中第一個同時考 慮能量和頻譜約束的路由協(xié)議。文獻(xiàn)[4]在SCR的基礎(chǔ)上提出了基于頻譜感知簇的能量有效 多媒體路由協(xié)議SCEEM。在SCEB1中，W最小化由于包丟失和延遲導(dǎo)致的多媒體質(zhì)量崎變?yōu)?約束優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中簇的個數(shù)。
[0010] Eletreby et al.[5]等人提出了CogLEACH協(xié)議。CogLEACH采用空閑信道數(shù)作為每 個節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率的權(quán)重。相比LEACH而言，它提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和壽命。然而， CogLEACH沒有考慮能量均衡W及需要全局CCC。
[0011] 文獻(xiàn)[6]提出了一種分布式頻譜感知簇算法DSACdDSA訝隹導(dǎo)出了最優(yōu)簇數(shù)目并且 最小化通信能耗。在DSAC中，W通信功率最小來組織成簇，通過簇內(nèi)數(shù)據(jù)聚合和簇間中繼來 實(shí)現(xiàn)能量節(jié)約。然而，為了實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量均衡，簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都有相同的概率成為簇 頭。
[0012] Ozger et al.[7]提出了一種事件驅(qū)動頻譜感知簇算法ESACdESAC為每一個事件形 成臨時簇，并且只在事件與sink節(jié)點(diǎn)之間成簇。在成簇的過程中，ESAC兩跳節(jié)點(diǎn)間的可用信 道數(shù)和成員節(jié)點(diǎn)數(shù)W確保網(wǎng)絡(luò)的連通度。然而，在ESAC中，簇成員和簇頭CH之間的通信是單 跳的，并且ESAC是事件驅(qū)動型的，不適用與其他的網(wǎng)絡(luò)場景，如事件驅(qū)動型網(wǎng)絡(luò)。
[0013]在文獻(xiàn)[8 ]中，提出了 一種化能量自適應(yīng)非均勻分簇算法L E A U C Η (lowenergyadaptive uneven clustering hierarchyKLEAUCH不僅考慮了信道資源多余 降化能量消耗的優(yōu)勢，而且通過采用非均勻分簇來均衡多跳傳輸中CH的能耗。然而，LEAUCH 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中至少有一條全局CCC并且簇半徑只依賴于CH到sink的距離。
[0014] 在文獻(xiàn)[9]中，提出了一種能量有效的采用臨時支持節(jié)點(diǎn)的壓縮簇方法CENTER。它 引入了臨時支持節(jié)點(diǎn)的概念來提高簇的形成。Sensor能夠有效地找到對應(yīng)的CH。然而，臨時 支持節(jié)點(diǎn)需要消耗較多的能量幫助其他節(jié)點(diǎn)找到相應(yīng)的CH。
[0015] 上述策略可^較好地在CRSN中運(yùn)行。然而，在現(xiàn)實(shí)中，全局CCC是難于實(shí)現(xiàn)的。為了 延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，必須均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。
[0016] 參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0028] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建與路由方法，有利于均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0029] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0030] -種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，設(shè)認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 有一個匯聚節(jié)點(diǎn)SN(Sink Node)，Μ個初級用戶PUs和N個二級用戶SUs;N個SUs作為采集數(shù)據(jù) 的傳感器節(jié)點(diǎn)，均勻分布在WSN為中屯、半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)密度為P;
[0031] 給定參數(shù)ro,與匯聚節(jié)點(diǎn)SN近距離，即距離不超過ro的傳感器節(jié)點(diǎn)洲S直接把數(shù)據(jù) 傳送給SN;其它SUs通過簇結(jié)構(gòu)組織起來，并通過簇路由方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至SN;
[0032] 根據(jù)距離SN由近至遠(yuǎn)的順序，通過若干輪簇構(gòu)建操作構(gòu)建大小不均勻的若干簇； 除了直接與匯聚節(jié)點(diǎn)SN通信的傳感器節(jié)點(diǎn)SUs,其它的SUs都被唯一的簇覆蓋;每一輪簇構(gòu) 建操作都依次執(zhí)行簇半徑計算、簇頭即CH選擇、簇信道選擇和簇結(jié)構(gòu)形成;第i(i ^ 1)輪簇 構(gòu)建過程中得到的簇頭稱為第i輪簇頭，形成的簇稱為第i輪簇；
[0033] 第1輪簇半徑η計算根據(jù)W下方程組進(jìn)行：
[0034]
[0035] 其中，ΕΟ為與SN近距離的節(jié)點(diǎn)的單位時間最大能耗，φ為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)生成率;Eelec為 單位比特數(shù)據(jù)在傳輸線路上的能量消耗;Efs和Camp為傳感器無線信號放大器在近、遠(yuǎn)距離傳 輸時的能量消耗參數(shù)；
[0036] El為第1輪簇頭的單位時間能耗，即最靠近SN的簇的簇頭(無上流簇頭）的單位時 間能耗;ri為第1輪簇的簇半徑;S為數(shù)據(jù)聚合率，Edf為單位數(shù)據(jù)聚合所需要的能耗地sink為 第1輪簇頭與SN的平均距離；
[0037] 第i(i〉l)輪簇半徑ri計算根據(jù)W下方程組進(jìn)行：
[00；3 引
[0039] Ei為第i輪簇頭的單位時間能耗，第i輪簇頭離SN較遠(yuǎn)，有上流簇頭;ri為第i輪簇的 簇半徑，ri-l則為第i-1輪簇的簇半徑;di,sink為第i輪簇頭與SN的平均距離，巧為第i輪簇頭 與其上流簇頭的平均距離;Efs和Camp為傳感器無線信號放大器在近、遠(yuǎn)距離傳輸時的能量消 耗參數(shù)。
[0040] 其中，
[0041] di,sink = r〇+ri；
[0042] d- = r;_i + Τι·,
[00創(chuàng) d村她二。）+ 2 0 +。。
[0044] 所述簇頭選擇包括W下步驟：
[0045] 定義節(jié)點(diǎn)值NV作為選擇CH的度量標(biāo)準(zhǔn)；
[0046] 對于第i輪簇構(gòu)建操作，計算與SN距離為1和1+化1之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)各個未被簇 覆蓋的節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)值NV，選擇具有最大節(jié)點(diǎn)值NV的節(jié)點(diǎn)作為CH;
[0047] 其中，節(jié)點(diǎn)Si的節(jié)點(diǎn)值NV(i)定義如下：
[004引
[0049] 式中，f化）、g(C)和MD)分別表示能量因子、信道因子和距離因子，為節(jié)點(diǎn)剩余能 量、可用信道和距離的歸一化函數(shù);α、β和丫分別為fXE)，g(C)和KD)的權(quán)重系數(shù)，并有α+β+ 丫 =1;Ειηι為節(jié)點(diǎn)Si的初始能量，巧es為節(jié)點(diǎn)Si的剩余能量，I。為節(jié)點(diǎn)Si與其上流邸的公共 信道數(shù)，I Cl I為節(jié)點(diǎn)Si的可用信道數(shù)，I C I為信道總數(shù)，dwri礎(chǔ)為節(jié)點(diǎn)Si與SN的距離，1為第i 輪環(huán)形區(qū)域內(nèi)邊界與SN的距離，有
[0050] 每一個節(jié)點(diǎn)都將自身信息傳送至SN，自身信息包括:剩余能量、可用信道和位置； SN由內(nèi)向至外，即由近至遠(yuǎn)選擇CH，每一輪都選擇具有最大節(jié)點(diǎn)值NV的節(jié)點(diǎn)作為CH。
[0051] 所述簇信道選擇包括W下步驟：
[0052] 定義信道值CV來表示信道的價值，作為選擇簇信道的度量標(biāo)準(zhǔn)；
[0053] 對當(dāng)前簇CH的每一條可用信道，計算其信道值CV;選擇具有最大信道值CV的可用 信道作為簇信道；
[0化4]設(shè)當(dāng)前簇CH的可用信道集為Ch，上流簇CH的可用信道集為Cuph，Cc = Ch η Cuph為當(dāng)前 簇CH與上流簇CH的共用信道集合;則當(dāng)前簇CH的可用信道Cl的信道值CVi定義如下：
[0化5]
[0056] 式中，I醒11和I NNi I分別表示簇信道為Cl時簇成員和中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;k為預(yù)設(shè)常 數(shù)，可取值為1。
[0057] 所述簇結(jié)構(gòu)形成過程為:令Sm是簇Η的簇頭，簇結(jié)構(gòu)形成時，首先由Sm廣播簇建立信 息CEM，CEM中包含了 sm的位置信息;然后，收到CEM并且滿足約束條件的SU向sm回復(fù)簇加入信 息CJM，成為簇Η的簇成員；最后，Sm把獲得的簇成員信息發(fā)送給SN，SN更新節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)入下 一個簇的簇結(jié)構(gòu)形成過程；
[005引其中，約束條件是指：
[0059] 令Sm對應(yīng)的簇信道和簇半徑為Cm和rm;SUsi(SiES)歸屬于簇Η需要滿足W下約束：
[0060] (1)不屬于其它簇，且每一個SU只能屬于一個簇；
[0061] (2)S1的可用信道中包含簇信道Cm;
[006^ (3)Sm與Si之間的距離小于或等于簇半徑rm，即成柄 < 咕。
[0063] 一種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的路由方法，與SN近距離，即距離不超過 ro的SUs直接把數(shù)據(jù)傳送給SN;其它SUs通過權(quán)利要求1~6所述的簇構(gòu)建方法形成簇結(jié)構(gòu)， 并通過W下簇路由方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至SN;
[0064] (1)簇成員的下一跳：如果節(jié)點(diǎn)到CH的距離小于通信半徑，則將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至 CH;否則，將數(shù)據(jù)發(fā)送給離CH最近的簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn);通過簇內(nèi)多跳傳輸將數(shù)據(jù)傳送至SN;
[00化](2)CH的下一跳：
[0066] 對于沒有上流CH的CH，CH直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給SN;
[0067] 對于有上流CH的CH，如果CH與上流CH有公共信道，那么CH直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至其上 流CH;否則，C聞尋數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)，通過中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)上流CH;記CH所在簇為當(dāng) 前簇，上流CH所在簇為上流簇，則在上流簇中，與當(dāng)前簇相鄰，且當(dāng)前簇的簇信道為其可用 信道的節(jié)點(diǎn)稱為CH的中繼節(jié)點(diǎn)；由于地理位置緊密相鄰的節(jié)點(diǎn)可W感知到相同的信道，因 此中繼節(jié)點(diǎn)存在于當(dāng)前簇與上流簇覆蓋范圍的交接處或者相鄰處，中繼節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前簇 頭與上流簇頭之間的數(shù)據(jù)中繼。
[0068] 本發(fā)明的原理為：
[0069] 網(wǎng)絡(luò)模型
[0070] 設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有一個匯聚節(jié)點(diǎn)SN(Sink Node)，M個初級用戶PUs和N個二級用戶SUs，N 個SUs作為采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)，均勻分布在WSN為中屯、半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)密 度為P;
[0071] 下述所提節(jié)點(diǎn)，如無特別說明，均指作為SU的傳感器節(jié)點(diǎn)。每個SU周期性地感知環(huán) 境信息并生成數(shù)據(jù)，所有的SUs具有相同的數(shù)據(jù)生成率Φ;P={pl，P2，···，PM}和S=レl， S2，…，Sn}分別為PUs和SUS的集合；網(wǎng)絡(luò)中有Q個正交信道，用C = { C1，C2，…，CQ }來表示，其中 Cl表示第i個信道;PUs能直接使用被授權(quán)的信道，SUs通過頻譜感知監(jiān)測到可用信道并且只 能W-種隨機(jī)的方式使用未被PUs使用的信道;每個節(jié)點(diǎn)i都有一個可用信道集，用Cl來表 示；
[0072] 本發(fā)明中，假設(shè)信道感知階段已經(jīng)結(jié)束并且空閑信道在成簇過程中不會發(fā)生改 變，也就是說，本發(fā)明不考慮頻譜感知階段。洲S-旦部署完成之后就靜止不動，因此，對于 任何一個節(jié)點(diǎn)來說，它的鄰居節(jié)點(diǎn)不會發(fā)生變化直到節(jié)點(diǎn)死亡。兩個SU(Si和sj)能夠相互通 信需要同時滿足W下兩個約束：
[0073] (1)有相同的空閑信道，即G η C,' * 0;
[0074] (2)si和sj和之間的距離di,j在允許的通信范圍，即通信半徑Rt內(nèi)，即di, j < Rt。
[00巧]能量模型
[0076] 設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有SUs的初始能量都為Eini，并采用與文獻(xiàn)[10] -樣的能耗模型，即節(jié) 點(diǎn)傳輸1比特數(shù)據(jù)至Ud距離所需要的能量消耗Emember為：
[0077]
[0078] 其中，Eelec為單位比特數(shù)據(jù)在傳輸線路上的能量消耗，由電路所使用的編碼、模 型、濾波器等決定。do為一個闊值，取值與傳感器無線信號發(fā)射與接收設(shè)備有關(guān)，近距離傳 輸(傳輸距離d<d〇)時，傳輸單位比特數(shù)據(jù)帶來的功率放大能量消耗為Efsd2;當(dāng)傳輸距離較 大(d含do)時，障礙物增多，干擾增大，由此帶來的單位比特數(shù)據(jù)功率放大急劇增加為Eampd4; Efs和Eamp為放大器在近、遠(yuǎn)距離傳輸時的能量消耗參數(shù)，在硬件設(shè)計時確定。
[0079] 節(jié)點(diǎn)接收1比特數(shù)據(jù)所需要的能量消耗為：
[0080] Er(1) =化 elec (2)
[0081 ]為了降低能耗，簇頭C聞尋收集到數(shù)據(jù)先進(jìn)行聚合再發(fā)送給下一跳;假設(shè)數(shù)據(jù)聚合 率為S，.Edf為單位比特數(shù)據(jù)聚合所需要的能耗。
[0082]簇構(gòu)建方法
[0083] 本發(fā)明提出無公用信道的簇構(gòu)建與路由機(jī)制（Non Common Channel Clustering and Routing，NCCCR)，包括簇構(gòu)建算法及其路由機(jī)制，路由機(jī)制在下節(jié)具體描述。其中，簇 構(gòu)建的主要目標(biāo)在于:將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為多個區(qū)域，并確保在網(wǎng)絡(luò)沒有全局公共信道CCC的 情況下，保證區(qū)域之間的連通度，并實(shí)現(xiàn)能量均衡。由于網(wǎng)絡(luò)中沒有全局公共信道CCC，因 此，確保網(wǎng)絡(luò)連通度是一個挑戰(zhàn)。
[0084] 給定參數(shù)Π )，與SN近距離，即距離不超過Π )(近距離）的SUs直接把數(shù)據(jù)傳送給SN;其 它洲S通過簇結(jié)構(gòu)組織起來，并通過簇路由方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至SN;NCCCR簇算法通過若干輪 操作構(gòu)建大小不均勻的若干簇；除了直接與SN節(jié)點(diǎn)通信的SUs，其它的SUs節(jié)點(diǎn)都被唯一的 簇覆蓋;每一輪操作執(zhí)行簇半徑計算、簇頭選擇、簇信道選擇和簇結(jié)構(gòu)形成。NCCCR簇算法執(zhí) 行過程如附錄圖1所示。
[0085] 每一輪針對特定的環(huán)形區(qū)域節(jié)點(diǎn)建簇，簇半徑的大小根據(jù)實(shí)時能量消耗情況來確 定，通過非均勻簇實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量均衡。如附錄圖2所示，與SN距離越遠(yuǎn)簇半徑越大，算法第i 輪就是在圖中灰色區(qū)域內(nèi)，選擇簇頭，建立若干個Wri為簇半徑的簇，覆蓋區(qū)域內(nèi)所有節(jié) 點(diǎn)。第i輪簇頭的數(shù)據(jù)將經(jīng)由鄰近的第i-1輪簇頭轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)SN。假設(shè)簇頭C出的數(shù)據(jù)由其鄰近 簇頭CHj轉(zhuǎn)發(fā)，則稱CHj為C出的上流簇頭(Upstream CH)。
[0086] -個簇的建立包含四個階段:簇半徑計算、簇頭選擇、簇信道選擇、簇結(jié)構(gòu)形成。接 下來對NCCCR簇算法中簇半徑計算、簇頭選擇、簇信道選擇、簇結(jié)構(gòu)形成過程進(jìn)行詳細(xì)分析 和說明。
[0087] 1、簇半徑計算
[0088] 在多跳網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能耗不均衡是制約網(wǎng)絡(luò)壽命的重要因素，本發(fā)明采用非均勻 簇來均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。本發(fā)明所關(guān)注的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于收集節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并 匯聚于SN節(jié)點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明假設(shè)及簇結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸過程分成Ξ種情況：（1)與SN近 距離的節(jié)點(diǎn)直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給SN; (2)對第一輪產(chǎn)生的簇，也即是最靠近SN的簇，簇內(nèi)數(shù)據(jù) 由簇頭直接發(fā)送給SN; (3)對其它離SN較遠(yuǎn)的簇，簇內(nèi)數(shù)據(jù)由其簇頭發(fā)送給上流簇頭，經(jīng)過 其它簇頭的（多跳)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)SN。簇頭負(fù)責(zé)匯聚簇內(nèi)數(shù)據(jù)，同時需要轉(zhuǎn)發(fā)來自其它簇的數(shù)據(jù)， 是能量消耗最大的節(jié)點(diǎn)。
[0089] 分析上述Ξ種情況的能量消耗情況：
[0090] (1)與SN近距離的節(jié)點(diǎn)能量消耗情況
[0091] 如果洲節(jié)點(diǎn)到SN的距離小于或等于ro,那么節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至SN;根據(jù)能量 模型，節(jié)點(diǎn)的單位時間最大能耗為：
[0092]
[0093] 其中，取為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)生成率，a和b的值根據(jù)ro是否大于do取定，參見式（1 )，如果ro 小于 do,貝lja=efs、b = 2;否則，a = eamp、b = 4。
[0094] (2)最靠近SN的簇的簇頭能量消耗情況
[00巧]用化1來表示沒有上流CH的CH集合，那么化1中的CH直接將數(shù)據(jù)傳送給SN;在NCCCR 算法中，化1中的簇頭對應(yīng)于NCCCR算法第1輪產(chǎn)生的簇頭，下稱為第1輪簇頭，其簇半徑為ri， 單位時間能耗為El。
[0096] 對任一第1輪簇頭，單位時間能耗El為簇內(nèi)和簇間通信的單位時間能耗之和，如式 (4)：
[0097]
[009引式(4)中，及f和巧ut分別為第1輪簇頭用于簇內(nèi)和簇間通信的單位時間能耗;Chi 中簇頭總數(shù)Num(化1)為區(qū)域總面積除W簇面積，見式巧）。
[0099]
[0100] 需要化1中各簇頭轉(zhuǎn)發(fā)的單位時間數(shù)據(jù)總量化ta(化1)為相關(guān)面積與節(jié)點(diǎn)密度和數(shù) 據(jù)生成率的乘積，見式(6):
[0101]
[0102] 巧"為第1輪簇頭用于簇內(nèi)數(shù)據(jù)通信的單位時間能耗，計算方法見式(7):
[0103]
[0104] 其中，3為數(shù)據(jù)聚合率，E壯為單位數(shù)據(jù)聚合所需要的能耗，山,sink為第1輪簇頭與SN 的平均距離，由于簇半徑為ri，簇邊沿與SN的最短距離約為ro,可近似取值為di,sink = r〇+ri; [01化]Efw為第1輪簇頭用于簇外數(shù)據(jù)的單位時間通信能耗，計算方法見式(8):
[0106]
[0107] a和b的值與情況(3)中類似，根據(jù)di,sink是否大于do取定，參見式（1)。
[0108] (3)其它離SN較遠(yuǎn)的簇的簇頭能量消耗情況
[0109] 令化X為算法第i(i〉l)輪產(chǎn)生的簇頭集合，運(yùn)些簇頭的數(shù)據(jù)需由上流簇頭轉(zhuǎn)發(fā)給 SN;對任一第i(i〉l)輪簇頭，其單位時間能耗El為簇內(nèi)和簇間通信的單位時間能耗之和，如 式(9):
[0110]
[0111]設(shè)ri為第i輪簇的簇半徑，與情況(2)中分析同理，可得第i輪環(huán)形區(qū)域簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù) 目和該區(qū)域簇頭需要轉(zhuǎn)發(fā)的簇間數(shù)據(jù)總量，從而得到式(10)和(11)。
[0114]其中，di,sinkSN為第i輪簇頭與SN的平均距離，df為第i輪簇頭與其上流CH的距離。 由于第i輪簇頭的上流簇頭在上一輪(第i-1輪）已確定，第i輪簇的邊沿簇與其上流CH的最 短距離約為ri，其上流簇半徑為ri-i，則莽與其上流可近似取值為雌二巧-1 +巧，同理可得 式(12):
[011引由上所述，El表達(dá)式中ri為唯一未知量，El表達(dá)式中ri為唯一未知量；為實(shí)現(xiàn)算法 在各輪構(gòu)建的簇的能耗均衡，那么有Eo = Ei和Eo = Ei;所W，只要給定一個ro,可W計算出滿 足 Eo = Ei 和 Eo = Ei 的 ri 和 ri。
[0119] 2、簇頭選擇
[0120] 假定在NCCCR簇算法的第i輪，在與SN距離為1和1 + 2。之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi) α二η, + 2Si三0';，需要考察各個節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行簇頭選擇。NCCCR簇算法綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余 能量、可用信道數(shù)和與上流簇頭的距離Ξ個方面來選擇CH。一個好的CH應(yīng)該具備：
[0121] (1)剩余能量多。由于CH相比其他SU需要消耗更多的能量，為了均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的 能耗，CH應(yīng)該具有更多的剩余能量。
[0122] (2)可用信道數(shù)多。CH需要和簇成員進(jìn)行通信，還需要與其他CH進(jìn)行通信將數(shù)據(jù)傳 送至SN。由于網(wǎng)絡(luò)中沒有全局的CCC，因此，為了確保網(wǎng)絡(luò)的連通度，CH應(yīng)擁有更多的可用信 道。
[0123] (3)與上流簇頭距離適中，能覆蓋到足夠多的節(jié)點(diǎn)。
[0124] 基于W上原理，定義節(jié)點(diǎn)值NV(Node化lue)作為選擇CH的度量；
[0125] 節(jié)點(diǎn)Si的的節(jié)點(diǎn)值NV(i)定義如下式（14):
[0126]
[0127] 式（14)中，f化）、g(C)和MD)分別表示能量因子、信道因子和距離因子，為節(jié)點(diǎn)剩 余能量、可用信道和距離的歸一化函數(shù)。α、0和丫分別為f化），g(C)和KD)的權(quán)重系數(shù)，并有 α+β+ 丫 = 1 ;Eini為節(jié)點(diǎn)Si的初始能量，巧es為節(jié)點(diǎn)Si的剩余能量，I。為節(jié)點(diǎn)Si與其上流CH的 公共信道數(shù)，|。|為節(jié)點(diǎn)Si的可用信道數(shù)，|C|為信道總數(shù)，4成獻(xiàn)為節(jié)點(diǎn)Si與SN的距離，1為 第i輪環(huán)形區(qū)域邊界與SN的距離，有Z =。+ 2Σ?^?Γ/·.
[0128] 節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)值NV反映了節(jié)點(diǎn)的能量、可用信道數(shù)和距離情況，是進(jìn)行CH選擇的一 個重要標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明設(shè)定α、β和丫的比值為1:1: 1。在具體的應(yīng)用場景中，可設(shè)置不同的曰、0 和丫值，用于調(diào)節(jié)簇頭選擇過程中的節(jié)點(diǎn)剩余能量、可用信道和節(jié)點(diǎn)位置的影響作用。
[0129] 每一個節(jié)點(diǎn)都需要將自身信息傳送至SN，包括:剩余能量、可用信道和位置；由SN 來完成簇頭的選擇工作，有利于降低SU的能耗。SN由內(nèi)向至外（由近至遠(yuǎn))選擇CH，每一輪在 未被簇覆蓋的節(jié)點(diǎn)中選擇具有最大節(jié)點(diǎn)值NV的節(jié)點(diǎn)作為CH。
[0130] 3、簇信道選擇
[0131] 一旦一個SU被選為CH，就需要選擇一條簇信道，然后進(jìn)行簇構(gòu)建過程。由于網(wǎng)絡(luò)中 沒有全局CCC，因此簇信道對簇內(nèi)W及簇間的通信都有很重要的影響。
[0132] 為了確保網(wǎng)絡(luò)的連通度，根據(jù)簇成員數(shù)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)來選擇簇信道。即，一個好的 簇信道應(yīng)具備：
[0133] (1)使簇?fù)碛懈啻爻蓡T；
[0134] (2)能夠使簇與上流簇進(jìn)行通信。
[01巧]基于W上原理，定義信道值CV(化annel Value，）來表示信道的價值，作為選擇簇 信道的主要度量標(biāo)準(zhǔn)；
[0136] 設(shè)當(dāng)前簇CH的可用信道集為Ch，上流簇CH的可用信道集為Cuph，Cc = Ch η Cup功當(dāng)前 簇CH與上流簇CH的共用信道集合；
[0137] 本發(fā)明將當(dāng)前簇邸的可用信道Cl的CV值定義如式(15)。
[013 引
[0139] 式（15)中，iNMi I和I順11分別表示簇信道為Cl時簇成員和中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；中繼節(jié) 點(diǎn)在簇頭與上流簇頭沒有共用信道時，用W為兩者中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，具體定義見下節(jié)路由機(jī)制部 分。k為預(yù)設(shè)常數(shù)，k越大意味著傾向于使用共用信道進(jìn)行簇間通信;k為零則表明，使用共用 信道和中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇間通信是一樣的，僅考慮簇成員數(shù)量。本發(fā)明設(shè)置k為1，期望優(yōu)先考 慮共用信道。
[0140] 在NCCCR簇算法中，每一輪簇的構(gòu)建根據(jù)當(dāng)前簇CH的可用信道的信道值CV來選擇 簇信道，選擇具有最大信道值CV的可用信道作為簇信道。
[0141] 4、簇結(jié)構(gòu)形成
[0142] 一旦CH和簇信道選擇好之后，簇結(jié)構(gòu)形成階段就開始執(zhí)行；
[0143] 令Sm是簇Η的簇頭，對應(yīng)的簇信道和簇半徑為Cm和rm;SUsi(SiES)歸屬于簇Η需要滿 足W下約束：
[0144] (1)不屬于其它簇，且每一個SU只能屬于一個簇；
[0145] (2)Si的可用信道中包含簇信道Cm;
[0146] (3)Sm與Si之間的距離小于或等于簇半徑rm，即屯町坤空％;
[0147] 簇結(jié)構(gòu)形成時，首先由CH廣播簇建立信息（Cluster Establishment Message， CEM)，CEM中包含了 CH的位置信息;然后，收到CEM并且滿足W上約束的SU向CH回復(fù)簇加入信 息(Cluster化ining Message,CJM)，成為簇Η的簇成員；最后，CH把獲得的簇成員信息發(fā)送 給SN，SN更新節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)入下一個簇的簇結(jié)構(gòu)形成過程。簇結(jié)構(gòu)形成過程中，簇頭和其它節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行如下操作：
[014引（1)簇頭Sm進(jìn)行W下操作：
[0149] ①當(dāng)收到SN的當(dāng)選簇頭通知，并獲得簇信道和簇半徑(Cm和rm)后，觸發(fā)簇結(jié)構(gòu)形成 過程，在各可用信道上廣播CEM;
[0150] ②當(dāng)收到簇加入信息CJM，比對目的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識，如果屬于自己的CJM，則從中獲得消 息源節(jié)點(diǎn)信息，并把它加入簇成員表CMT(Cluster Member Table)。
[0151] ③CMT表在Τ時間內(nèi)沒有更新，則簇結(jié)構(gòu)形成結(jié)束，把CMT表發(fā)送給SN，SN據(jù)此更新 節(jié)點(diǎn)狀態(tài);T的設(shè)定:設(shè)簇頭發(fā)出CEM廣播信息的時刻為ti，簇頭最后一次收到CJM信息的時 刻為 t2,則 T = 2X(t2-ti)。
[0152] (2)其它節(jié)點(diǎn)操作
[0153] ①當(dāng)收到CEM后，如果之前已收到該CEM，則丟棄該CEM而不做處理；否則，根據(jù)CEM 中提供的信息，檢查上述3個約束;如果3個約束均滿足，則執(zhí)行②;否則執(zhí)行③。
[0154] ②W簇頭節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)，并把自己的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識、位置和簇半徑rm封裝在CJM消 息中，在各可用信道廣播CJM;
[0K5]③如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)的距離屯< rm，則在各可用信道轉(zhuǎn)發(fā)CEM;否則，丟 棄該CEM而不做處理；
[0156] ④當(dāng)收到CJM，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與CJM源節(jié)點(diǎn)的距離超過rm，則丟棄該CJM而不做處 理;否則，在各可用信道轉(zhuǎn)發(fā)該CJM消息。
[0157] 簇結(jié)構(gòu)形成過程只影響半徑為rm區(qū)域內(nèi)及附近節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)開銷可控。
[015引基于簇的路由機(jī)制
[0159]路由機(jī)制的本質(zhì)是為發(fā)送者找到下一跳節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)SN。本發(fā)明所設(shè)計的NCCCR 路由機(jī)制描述如下：
[0160] (1)與SN的距離小于等于ro的節(jié)點(diǎn)的下一跳:為了降低能耗，如果節(jié)點(diǎn)到SN的距離 小于或等于ro,那么節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給SN。
[0161] (2)簇成員的下一跳：如果節(jié)點(diǎn)到CH的距離小于通信半徑，則將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至 CH;否則，將數(shù)據(jù)發(fā)送給離CH最近的簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)；由于簇內(nèi)至少存在一條公共信道（即簇 信道），可通過簇內(nèi)多跳傳輸將數(shù)據(jù)傳送至SN;
[0162] (3)CH的下一跳：由于網(wǎng)絡(luò)中沒有全局的CCC，因此CH的下一跳的選擇成為路由算 法的關(guān)鍵。CH的下一跳選擇設(shè)計如下:如果CH與上流CH有公共信道，那么CH直接將數(shù)據(jù)發(fā)送 至其上流CH(如附錄圖3中的化thl)。否則，C聞尋數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)，通過中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā) 到達(dá)上流CH;記CH所在簇為當(dāng)前簇，上流CH所在簇為上流簇，則在上流簇中，與當(dāng)前簇相鄰， 且當(dāng)前簇的簇信道為其可用信道的節(jié)點(diǎn)稱為CH的中繼節(jié)點(diǎn)；由于地理位置緊密相鄰的節(jié)點(diǎn) 可W感知到相同的信道，因此中繼節(jié)點(diǎn)存在于當(dāng)前簇與上流簇覆蓋范圍的交接處或者相鄰 處，中繼節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前簇頭與上流簇頭之間的數(shù)據(jù)中繼(如附錄圖3中的Path2)。
[0163] (4)中繼節(jié)點(diǎn)的下一跳
[0164] 由于中繼節(jié)點(diǎn)屬于簇成員，因此中繼節(jié)點(diǎn)下一跳的選擇與簇成員節(jié)點(diǎn)一樣。
[01化]有益效果：
[0166] 1)在多跳網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能耗不均衡是制約網(wǎng)絡(luò)壽命的重要因素，本發(fā)明在簇半徑 計算過程中，分析Ξ種情況的能量消耗情況:與SN近距離的節(jié)點(diǎn)能量消耗情況、最靠近SN的 簇的簇頭能量消耗情況、其它離SN較遠(yuǎn)的簇的簇頭能量消耗情況，通過構(gòu)建非均勻簇來均 衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。
[0167] 2)本發(fā)明的簇構(gòu)建算法綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、可用信道數(shù)和與上流簇頭的距 離Ξ個方面來選擇簇頭。有利于均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0168] 3)根據(jù)簇成員數(shù)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)來選擇簇信道，確保了網(wǎng)絡(luò)的連通度。簇結(jié)構(gòu)形成 過程只影響半徑為rm區(qū)域內(nèi)及附近節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)開銷可控。
[0169] 4)由于網(wǎng)絡(luò)中沒有全局CCC，因此已有的路由算法不能有效地運(yùn)行。本發(fā)明在簇構(gòu) 建算法的基礎(chǔ)上設(shè)計可W適用于網(wǎng)絡(luò)中沒有全局CCC的情景的路由機(jī)制。設(shè)計的路由機(jī)制 與已有算法不同的是，在進(jìn)行下一跳選擇的時候，不僅考慮發(fā)送者和接收者之間的距離W 及接收者的剩余能量，還考慮了兩者的公共信道。
【附圖說明】
[0170] 圖1為簇算法流程；
[0171 ]圖2為簇構(gòu)建算法第i輪示意圖；
[0172] 圖3為路由路徑；
[0173] 圖4為本發(fā)明（NCCCR)與LEAUCH網(wǎng)絡(luò)壽命對比；
[0174] 圖5為節(jié)點(diǎn)剩余能量；圖5(a)為NCCCR中節(jié)點(diǎn)剩余能量，圖5(b)為LEAUCH中節(jié)點(diǎn)剩 余能量；
[0175] 圖6為NCCCR連通度。
【具體實(shí)施方式】
[0176] 本發(fā)明利用0MNet++對NCCCR進(jìn)行了模擬仿真，并在仿真的基礎(chǔ)上對算法的有效性 和性能進(jìn)行了分析。網(wǎng)絡(luò)為一個半徑為200m的圓形區(qū)域，匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node,SN)位于網(wǎng) 絡(luò)區(qū)域的正中屯、（〇,〇)，網(wǎng)絡(luò)中有5個初級用戶（Prima巧Users，PUs)和500個二級用戶 (Seconda巧Users，SUs)，信道數(shù)為8。每一個節(jié)點(diǎn)都周期性地感知環(huán)境并生成數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù) 生成率為0.2。其他主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。
[0177] 表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
[017 引
[0179] W下從網(wǎng)絡(luò)壽命、能量均衡、網(wǎng)絡(luò)連通度等方面對NCCCR進(jìn)行性能評估。
[0180] 1、網(wǎng)絡(luò)壽命
[0181] WSN是能量受限的，節(jié)點(diǎn)一旦消耗完能量就會死亡。本發(fā)明中，用活著的節(jié)點(diǎn)數(shù)來 反映網(wǎng)絡(luò)的壽命。如圖4所示為活著的節(jié)點(diǎn)數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸輪數(shù)的關(guān)系。從圖中可W看出，隨 著數(shù)據(jù)傳輸輪數(shù)的增加，采用NCCCR與LEAUCHW時，網(wǎng)絡(luò)中活著的節(jié)點(diǎn)數(shù)大致一致。在 LEAUCH中，節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率取決于節(jié)點(diǎn)的可用信道數(shù)，在候選簇頭中，剩余能量最大的 節(jié)點(diǎn)成為真正的簇頭。簇半徑只與簇頭到SN的距離有關(guān)。然而在NCCCR中，定義節(jié)點(diǎn)價值 (Node Value,NV)用于選擇簇頭，NV同時考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量、信道情況(可用信道數(shù)W 及與上流簇頭的公共信道數(shù)及距離情況(與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離W及與上流簇頭的距離）。 簇半徑也是根據(jù)簇頭的實(shí)時能量情況和到下一跳的距離來決定，從而延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。
[0182] 2、能量均衡
[0183] 在WSN中，能量均衡對于延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命具有很重要的影響。為了延長網(wǎng)絡(luò)的 壽命，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗均衡是必須的。圖5顯示了網(wǎng)絡(luò)中第一個節(jié)點(diǎn)死亡時，網(wǎng)絡(luò)中所有 節(jié)點(diǎn)的剩余能量情況。通過圖5可W看出，采用NCC邸比采用LEAUCH具有更好的能量均衡狀 況。在LEAUCH中，距離匯聚節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)有更高的能量消耗。在NCCCR中，所有CH的能耗相對 均衡，運(yùn)是因?yàn)?根據(jù)簇頭的實(shí)時能量狀況來決定簇半徑有利于實(shí)現(xiàn)能量均衡。
[0184] 3、網(wǎng)絡(luò)連通度
[0185] 網(wǎng)絡(luò)連通度是簇形成策略的一個很重要的衡量指標(biāo)。特別是在網(wǎng)絡(luò)中沒有全局 CCC的情況下，網(wǎng)絡(luò)連通度顯得尤為重要。將網(wǎng)絡(luò)連通度定義為每個CH的平均通信鄰居節(jié)點(diǎn) 數(shù)，為上流CH數(shù)和中繼區(qū)域內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)之和。網(wǎng)絡(luò)連通度情況如圖6所示，從圖6可W看 出，NCCCR具有比較好的連通性能。運(yùn)是因?yàn)椋贜CCCR中，為了確保網(wǎng)絡(luò)的連通度，在整個簇 的形成過程中，考慮了簇成員數(shù)W及中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)。
[0186]本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)沒有全局公共信道的場景下，提出了一種能量均衡的簇構(gòu)建與路由 機(jī)制NCCCR。通過采用非均勻分簇來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡，簇的半徑根據(jù)簇頭實(shí)時能量來確 定。并且在路由形成的過程中，下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇也考慮了能量因素。由于網(wǎng)絡(luò)中沒有全局 CCC，為了確保網(wǎng)絡(luò)的連通度，在成簇的過程中，不僅考慮了簇頭和簇成員之間的公共信道， 而且還考慮了簇頭之間的公共信道情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NCCCR能夠克服網(wǎng)絡(luò)中沒有CCC的 約束，與其它算法相比有更好的性能表現(xiàn)。W上理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了本發(fā)明的有效 性和優(yōu)勢。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，其特征在于： 設(shè)認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有一個匯聚節(jié)點(diǎn)SN(Sink Node)，M個初級用戶PUs和N個二級 用戶SUs;N個SUs作為采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)，均勻分布在以SN為中心半徑為R的圓形區(qū)域 內(nèi)，節(jié)點(diǎn)密度為P; 給定參數(shù)ro，與匯聚節(jié)點(diǎn)SN近距離的傳感器節(jié)點(diǎn)，即距離不超過ro的傳感器節(jié)點(diǎn)SUs直 接把數(shù)據(jù)傳送給SN;其它SUs通過簇結(jié)構(gòu)組織起來，并通過簇路由方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至SN; 根據(jù)距離SN由近至遠(yuǎn)的順序，通過若干輪簇構(gòu)建操作構(gòu)建大小不均勻的若干簇；除了 直接與匯聚節(jié)點(diǎn)SN通信的傳感器節(jié)點(diǎn)SUs，其它的SUs都被唯一的簇覆蓋;每一輪簇構(gòu)建操 作都依次執(zhí)行簇半徑計算、簇頭即CH選擇、簇信道選擇和簇結(jié)構(gòu)形成;第i輪簇構(gòu)建操作中 得到的簇頭稱為第i輪簇頭，形成的簇稱為第i輪簇，i 2 1; 第i輪簇半徑^根據(jù)以下方程組進(jìn)行計算：其中，E〇為與SN近距離的傳感器節(jié)點(diǎn)的單位時間最大能耗，Φ為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)生成率;Eelec為 單位比特數(shù)據(jù)在傳輸線路上的能量消耗;efs和為傳感器無線信號放大器在近、遠(yuǎn)距離傳 輸時的能量消耗參數(shù)d為數(shù)據(jù)聚合率，E df為單位數(shù)據(jù)聚合所需要的能耗； Ei為第i輪簇頭的單位時間能耗;ri為第i輪簇的簇半徑，rH則為第i-Ι輪簇的簇半徑； di,sink為第i輪簇頭與SN的平均距離，df為第i輪簇頭與其上流簇頭的平均距離，當(dāng)i = l時， 對應(yīng)第1輪簇頭，無上流簇頭，則令兩=4s&lfc。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，其特征在 于， i = 1時，di，sink = r〇+ri;i > ΙΒ?, diiSink = r〇 + 2 η + η?3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，其特征在 于，所述簇頭選擇包括以下步驟： 定義節(jié)點(diǎn)值NV作為選擇簇頭CH的度量標(biāo)準(zhǔn)； 對于第i輪簇構(gòu)建操作，計算與SN距離為1和1+2^之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)各個未被簇覆蓋的 節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)值NV，選擇具有最大節(jié)點(diǎn)值NV的節(jié)點(diǎn)作為CH; 其中，節(jié)點(diǎn)si的節(jié)點(diǎn)倌NV(i)定義如下： V I L \ J -· C-心 式中，f(E)、g(C)和h(D)分別表示能量因子、信道因子和距離因子，為節(jié)點(diǎn)剩余能量、可 用信道和距離的歸一化函數(shù);α、β和γ分別為f(E)，g(C)和h(D)的權(quán)重系數(shù)，并有α+β+γ = 1 ;Ειηι為節(jié)點(diǎn)Sl的初始能量，為節(jié)點(diǎn)81的剩余能量，| C。|為節(jié)點(diǎn)81與其上流CH的公共信道 數(shù)，I Ci I為節(jié)點(diǎn)s i的可用信道數(shù)，I C I為信道總數(shù)，dSi,sfc為節(jié)點(diǎn)s i與sN的距離，1為第i輪簇 構(gòu)建操作環(huán)形區(qū)域內(nèi)邊界與SN的距離，有!:_=η) +4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，其特征在 于，每一個節(jié)點(diǎn)都將自身信息傳送至SN，自身信息包括:剩余能量、可用信道和位置;SN由內(nèi) 向至外，即由近至遠(yuǎn)選擇CH，每一輪都選擇具有最大節(jié)點(diǎn)值NV的節(jié)點(diǎn)作為CH。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，其特征在 于，所述簇信道選擇包括以下步驟： 定義信道值CV來表示信道的價值，作為選擇簇信道的度量標(biāo)準(zhǔn)； 對當(dāng)前簇CH的每一條可用信道，計算其信道值CV;選擇具有最大信道值CV的可用信道 作為簇信道； 設(shè)當(dāng)前簇CH的可用信道集為Ch，上流簇CH的可用信道集為Cuph，Cc = Ch Π Cuph為當(dāng)前簇CH 與上流簇CH的共用信道集合;則當(dāng)前簇CH的可用信道(^的信道值0^定義如下：式中，| |和| NK |分別表示簇信道為(^時簇成員和中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;k為預(yù)設(shè)常數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，其特征在 于，k為1。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的簇構(gòu)建方法，其特征在 于，所述簇結(jié)構(gòu)形成過程為：令sm是簇Η的簇頭，簇結(jié)構(gòu)形成時，首先由播簇建立信息 CEM，CEM中包含了 sm的位置信息;然后，收到CEM并且滿足約束條件的SU向sm回復(fù)簇加入信息 CJM，成為簇Η的簇成員；最后，s m把獲得的簇成員信息發(fā)送給SN，SN更新節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)入下一 個簇的簇結(jié)構(gòu)形成過程； 其中，約束條件是指： $sm對應(yīng)的簇信道和簇半徑為cjPrm; SU Si(SieS)歸屬于簇Η需要滿足以下約束： (1) 不屬于其它簇，且每一個SU只能屬于一個簇； (2) Si的可用信道中包含簇信道Cm; (3) ~與犯之間的距離小于或等于簇半徑rm，gp8. -種認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無公用信道的路由方法，其特征在于，與SN近距離，即距 離不超過r〇的SUs直接把數(shù)據(jù)傳送給SN;其它SUs通過權(quán)利要求1~7所述的簇構(gòu)建方法形成 簇結(jié)構(gòu)，并通過以下簇路由方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至SN: (1) 簇成員的下一跳：如果節(jié)點(diǎn)到CH的距離小于通信半徑，則將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至CH;否 貝1J，將數(shù)據(jù)發(fā)送給離CH最近的簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn);通過簇內(nèi)多跳傳輸將數(shù)據(jù)傳送至SN; (2) CH的下一跳： 對于沒有上流CH的CH，CH直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給SN; 對于有上流CH的CH，如果CH與上流CH有公共信道，那么CH直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至其上流CH; 否則，CH將數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)，通過中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)上流CH;記CH所在簇為當(dāng)前簇， 上流CH所在簇為上流簇，則在上流簇中，與當(dāng)前簇相鄰，且當(dāng)前簇的簇信道為其可用信道的 節(jié)點(diǎn)稱為CH的中繼節(jié)點(diǎn)。
【文檔編號】H04W52/02GK105873160SQ201610380132
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】曾鋒, 陳雪寒, 陳志剛
【申請人】中南大學(xué)