專利名稱：應用于無線傳感器網(wǎng)絡的分簇控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種具有可靠性的無線傳感器網(wǎng)絡分簇控制方法，可用于去尋找穩(wěn)定、可靠、網(wǎng)絡能量分布均衡且與實際網(wǎng)絡相匹配的簇。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡是集傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及低功耗無線通信技術(shù)而形成的一種以自組織網(wǎng)絡方式構(gòu)建的無線網(wǎng)絡。其主體是低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器。這些微型傳感器通過對監(jiān)測對象的信息采集，并利用自身的嵌入式系統(tǒng)對信息進行簡單處理，然后再利用隨機自組織網(wǎng)絡以多跳中繼方式將信息傳送給目標節(jié)點，從而完成對監(jiān)測區(qū)域的掌控。該技術(shù)可用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、空間探索、城市交通管理、倉儲管理等軍事和民用領(lǐng)域。傳感器節(jié)點往往工作在惡劣的環(huán)境中，并且通常采用能量有限的電池提供能量，替換節(jié)點的電池或?qū)﹄姵剡M行充電都是十分困難的，所以無線傳感器網(wǎng)絡很容易出現(xiàn)因為能源耗盡而導致節(jié)點失效的情況。如何有效利用節(jié)點的有限能量，從而最大化的延長網(wǎng)絡的生存時間已成為傳感器網(wǎng)絡研究的熱點。分簇機制是無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議中的一個重要問題。一個好的分簇算法能夠形成一個優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，從而有效地提高路由協(xié)議的執(zhí)行效率和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸成功率，減少節(jié)點的數(shù)據(jù)處理量，延長節(jié)點及網(wǎng)絡的壽命。分簇機制其實就是將網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點人為地分成兩類，一類是簇頭節(jié)點，一類是簇內(nèi)節(jié)點。其中簇內(nèi)節(jié)點負責感知數(shù)據(jù)，并將感知到的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點則主要是協(xié)調(diào)簇內(nèi)各節(jié)點工作，負責數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡分簇后有很多優(yōu)點，例如，由簇頭節(jié)點擔負數(shù)據(jù)融合的任務，可減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸量；分簇式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應用，適合大規(guī)模部署的網(wǎng)絡；由于簇內(nèi)節(jié)點在相當長的時間內(nèi)關(guān)閉無線通信模塊，所以可顯著地延長網(wǎng)絡壽命。國外對于無線傳感器網(wǎng)絡分簇方法的研究起步比較早，Heinzelman W B等人率先提出了適合在無線傳感器網(wǎng)絡上應用的典型層次式路由協(xié)議(LEACH協(xié)議)，該協(xié)議采用了一種凝聚策略，利用各節(jié)點對之間的相似性，從相似性最高的節(jié)點對開始，往一個空網(wǎng)絡中添加邊,添邊過程的終止時刻就得到了一個由若干簇組成的網(wǎng)絡。但是這種方法沒有考慮節(jié)點的剩余能量，從而可能導致某些節(jié)點過早的死亡，并影響網(wǎng)絡的壽命。近年來，國內(nèi)專家學者也紛紛對無線傳感器網(wǎng)絡分簇方法進行了研究。同濟大學的杭海存等人將LEACH協(xié)議與蟻群算法相結(jié)合運用到了無線傳感器網(wǎng)絡中，這種方法平衡了網(wǎng)絡的能量消耗，延長了網(wǎng)絡的生存時間，但其在簇頭選取的過程中也沒有考慮簇頭節(jié)點的剩余能量，從而可能使一些剩余能量較小的節(jié)點當選為簇頭，并加速這些節(jié)點的死亡速度。由中國國家知識產(chǎn)權(quán)局2011年6月3日公開，公開號為CN102231899A的專利申請“一種無線傳感網(wǎng)高斯分簇路由控制方法”，公開了一種傳感網(wǎng)絡的尋簇方法。該方法借助網(wǎng)絡的大小、網(wǎng)絡成簇的數(shù)量、節(jié)點的剩余能量及簇頭間的最優(yōu)距離等參素尋找到了一個簇頭分布較為均勻的網(wǎng)絡簇結(jié)構(gòu)，從而使得網(wǎng)絡整體能量分布較為均勻，并降低了網(wǎng)絡節(jié)點的死亡速率。但該發(fā)明申請存在如下缺陷I)該方法是先選擇簇頭，然后再由簇頭來構(gòu)建簇，每輪都要變化簇的結(jié)構(gòu)，從而使獲得的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，同時還增加了網(wǎng)絡的選簇開銷；2)該方法沒有考慮無線傳感器網(wǎng)絡本身結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，從而引發(fā)尋找到的網(wǎng)絡簇結(jié)構(gòu)隨機性強、與實際網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不匹配等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種應用于無線傳感器網(wǎng)絡的分簇控制方法，以解決已有技術(shù)找到的簇不穩(wěn)定、隨機性強且與實際網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不匹配問題，從而提高簇的穩(wěn)定性、可調(diào)性、普適性及其與實際網(wǎng)絡的匹配性。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是通過無線傳感器網(wǎng)絡的Laplace矩陣求出網(wǎng)絡的非平凡特征向量，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡實際應用的特點，結(jié)合各節(jié)點的剩余能量及其周圍能量分布的異配度在每個簇內(nèi)選取簇頭，利用非平凡特征向量的均值向量形成與實際網(wǎng)絡相匹配的原始簇結(jié)構(gòu)；并借助網(wǎng)絡模塊度的增量來評估合并這些原始的簇，從而建立了一個與實際網(wǎng)絡更加匹配可靠的、適合于實際應用需求的網(wǎng)絡簇結(jié)構(gòu)。其實現(xiàn)步驟包括如下(I)在SXS的平面范圍內(nèi)，隨機拋撒η個傳感器節(jié)點，構(gòu)建隨機無線傳感器網(wǎng)絡，各節(jié)點將各自的ID號、位置、剩余能量信息封裝為數(shù)據(jù)報文向周圍的鄰居節(jié)點進行廣播，廣播過程結(jié)束時，各節(jié)點均形成并維護一張鄰居列表，鄰居列表中存貯節(jié)點本身及其鄰居節(jié)點的剩余能量、ID號和位置信息；(2)在生成的無線傳感器網(wǎng)絡中，將各節(jié)點看成一個獨立的簇，基站利用網(wǎng)絡的Laplace矩陣求出該無線傳感器網(wǎng)絡非平凡特征向量的均值向量CT=(Cli)nxi，取Cf中各簇對應的元素為該簇的坐標，并構(gòu)建網(wǎng)絡的簇間距矩陣 =0^]ηΧη，其中
權(quán)利要求
1.一種應用于無線傳感器網(wǎng)絡的分簇控制方法，包括如下步驟(1)在SXS的平面范圍內(nèi)，隨機拋撒η個傳感器節(jié)點，構(gòu)建隨機無線傳感器網(wǎng)絡，各節(jié)點將各自的ID號、位置、剩余能量信息封裝為數(shù)據(jù)報文向周圍的鄰居節(jié)點進行廣播，廣播過程結(jié)束時，各節(jié)點均形成并維護一張鄰居列表，鄰居列表中存貯節(jié)點本身及其鄰居節(jié)點的剩余能量、ID號和位置信息；(2)在生成的無線傳感器網(wǎng)絡中，將各節(jié)點看成一個獨立的簇，基站利用網(wǎng)絡的 Laplace矩陣求出該無線傳感器網(wǎng)絡非平凡特征向量的均值向量Cf=(Cli)nxi，取Cf中各簇對應的元素為該簇的坐標，并構(gòu)建網(wǎng)絡的簇間距矩陣 =0^]ηΧη，其中
2.如權(quán)利要求1所述的應用于無線傳感器網(wǎng)絡的分簇控制方法，其特征在于，步驟(6) 所述的更新模塊度增量矩陣八0、簇間距矩陣0、中間變量％和~按如下步驟進行(6a)更新模塊度增量矩陣Λ Q，即在矩陣Λ Q中刪除簇i對應的行和列，并利用如下公式分別更新矩陣AQ中簇j對應的行和列上的所有元素
3.如權(quán)利要求1所述的應用于無線傳感器網(wǎng)絡的分簇控制方法，其特征在于，步驟(7) 所述的傳感器節(jié)點間通過簇頭選擇函數(shù)來進行簇頭選擇，按如下步驟進行(7a)簇內(nèi)各節(jié)點依據(jù)其鄰居列表中存貯的本身及其鄰居節(jié)點的剩余能量和位置信息來計算t時刻各自的能量分布異配度，計算公式如下
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于無線傳感器網(wǎng)絡的分簇控制方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)可靠性差及可調(diào)性低的問題。該方法首先在無線傳感器網(wǎng)絡本身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用非平凡特征向量來形成與實際網(wǎng)絡相匹配的原始簇；然后借助網(wǎng)絡模塊度的增量來評估合并這些原始簇，從而形成一個與真實網(wǎng)絡更加匹配可靠的簇結(jié)構(gòu)；最后根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡實際應用的特點，結(jié)合各節(jié)點的剩余能量及其周圍能量分布的異配度從每個簇內(nèi)選取簇頭。利用本發(fā)明構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡簇結(jié)構(gòu)不僅具有更高的匹配性，而且具有很好的可調(diào)性，可滿足在惡劣環(huán)境條件下，對無線傳感器網(wǎng)絡簇結(jié)構(gòu)可靠性的要求。
文檔編號H04W40/10GK103024857SQ20131000632
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者劉三陽, 劉逵, 焦紅偉, 馮海林 申請人:西安電子科技大學