CN102413178B - 一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法 - Google Patents

Abstract

一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，首先，建立无线传感器网络，为无线传感网络中所有的固定节点分配唯一标识号；无线传感器中各节点向所在网络发送广播，计算包括自身节点和邻居节点中，与其邻居节点关联程度Q最大的节点标识号，然后用该标识号替换自身的标识号，同时将新的标识号告知邻居节点；重复更新，完成无线传感器网络节点的自动分簇。本发明相较传统的分簇方法需要对整个网络状态有所了解的局限性，本方法以节点个体开始进行地分簇优化方法有明显的优势，对于传感器节点的分簇结果能够达到所要求的效果。

Description

一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法

技术领域

本发明涉及无限传感器网络领域，尤其是一种节点的自动分簇方法，具体地说是一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法。

背景技术

目前，对于网络分簇的研究在理论意义和实际应用上有重大作用，目前已被应用于恐怖组织识别、组织结构管理等社会网络分析、新陈代谢网络分析、蛋白质交互网络分析和未知蛋白质功能预测、基因调控网络分析和主控基因识别等生物网络分析以及Web社区挖掘和基于主题词的Web文档分簇和搜索引擎等众多领域。

目前，对于网络分簇的研究方法主要可以分为两类：基于优化的方法(optimization based method)和启发式方法(heuristic method)。前者将复杂网络分簇问题转化为优化问题，通过最优化预定义的目标函数来计算复杂网络的簇结构。例如，谱方法(spectral method)将网络分簇问题转化为二次型优化问题，通过计算特殊矩阵的特征向量来优化预定义的“截(cut)”函数。后者将复杂网络分簇问题转化为预定义启发式规则的设计问题。例如，被广泛引用的Girvan-Newman方法是以簇间连接的边介数(edge betweenness)应大于簇内连接的边介数为预定义的启发式规则来设计分簇的方法。

随着传感技术的发展，人们开始将这一技术应用在计算机网络上。无线传感器网络是由多个传感器节点组成的面向任务的无线自组织网络，它具有协同处理能力强的优点，被广泛用于目标跟踪、环境监测等领域。

实现网络节点的快速分簇，是实现无线传感器网络中各个节点的自制以及协同管理的必要前提。传统的分簇方法是从全局上将整个传感器网络进行分割，但是这需要对整个网络状态全局感知，而现实中，在网络传感器节点初始布局的时候，网络情况通常是未知的，因此传统的分簇方案的实用性较低。

发明内容

本发明的目的是针对传统的分簇方案的实用性较低的问题，提出一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法。相较传统方法掌握网络整体状态的要求，本方法不需要了解整体网络状态，使得方法可以适应无线传感器系统的需求。

在此方案中，将每个传感器节点作为一个agent，而每个agent与邻接节点通信，利用本发明提出的FN改进优化方法，对自身进行分簇优化，最终得到无线传感器网络的分簇结果。

本发明的技术方案是：

一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，它包括以下步骤：

(1)建立无线传感器网络，为无线传感网络中所有的固定节点分配唯一标识号；

(2)无线传感器中各节点向所在网络发送广播，广播自身节点的标识号，能够收到其他节点的标识号的，就将标识号来源的节点作为其邻居节点，并将自身标识号告知该邻居节点即标识号的发信节点；

(3)各节点收到邻居节点的标识号信息，将该邻居节点的标识号在本地存储，然后各节点依据快速网络分簇优化方法即FN分簇优化方法进行分簇，即各节点计算包括自身节点和邻居节点中，与其邻居节点关联程度Q最大的节点标识号，然后用该标识号替换自身的标识号，同时将新的标识号告知邻居节点；

$Q=\frac{1}{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{ij}}{A}_{\mathrm{ij}}}\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}[A_{\mathrm{ij}}-\frac{k_i{k}_j}{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{ij}}{A}_{\mathrm{ij}}}]=1-\frac{k_i{k}_j}{{\left({\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{ij}}{A}_{\mathrm{ij}}\right)}^2}.$

其中，A＝(A_ij)_n×n是无线传感器网络的临界矩阵，k_i、k_j是节点i、j的度即节点i、j的邻居节点数，Q是一个自定义的标度，表示自身节点与邻居节点的连接紧密程度；

(4)各节点接收到邻居节点标识号更新的信息，则重复步骤3，直到节点未接收到邻居节点的标识号或者更新次数达到设定值，则节点不再更新自身标识号；

(5)、全网络中无节点更新自身标识号，则视作分簇结束，相同标识号的节点即认为在同一簇中，完成无线传感器网络节点的自动分簇。

本发明中，在首轮发送广播、存储邻居节点的标识号号之后，各节点统计自身的邻居数，同时告知邻居节点自身的邻居数，即连接节点数。

本发明在分簇过程中，若邻居节点无法连接上，则将该节点从邻居节点列表中删除。

本发明的步骤4中，更新次数的设定值不少于50次。

本发明中，各节点在完成一次分簇方法后，进入睡眠模式，当其邻居节点的标识号变化时节点才会被唤醒，进行下一轮的分簇。

本发明的有益效果：

本发明通过以上的技术方案，使本发明提出的FN改进分簇优化方法在无线传感器网络节点的分簇上有了明显的优化效果，相较传统的分簇方法需要对整个网络状态有所了解的局限性，本方法以节点个体开始进行地分簇优化方法有明显的优势，对于传感器节点的分簇结果能够达到所要求的效果。

附图说明

图1为本发明的初始化节点位置示意图。

图2为本发明节点通信示意图。

图3为本发明的分簇方法优化后的节点分簇示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，它包括以下部分：

1网络的构成

本发明采用一般无线传感器网络模型：(1)、传感器节点随机分布在一个区域A；(2)、所有节点有足够的计算能力来支持信号处理和计算路由，并且地位平等。

2节点标识号识别

在布置无线传感器网络时对每一个传感器分配一个唯一的标识号，节点在传输时，在通信包前加上自己的标识号。节点收到信息，可以通过标识号识别信息来源，若信息并非来自邻居节点，则将信息丢弃。

3节点的自动分簇

初始时，节点间的通信采用无线广播信道，节点自动发送广播包，其邻居节点在一次广播之后即可确定。节点非移动节点，因此各节点的邻居节点可以视为几乎不会改变。每个节点都有一定大小的本地缓冲区，存放其相邻节点列表。节点与相邻节点通信，获得相邻节点状态，根据本发明提出的FN改进方法更新自身状态，然后再与相邻节点通信。这个过程进行若干次或者节点分簇达到预定指标，节点的分簇结果已可以接受，分簇方法结束。

4节点通信质量的不确定性

由于现实监测时，无线传感器网络的通信质量会收到环境的影响，因此，我们在设计方法时需要考虑节点间通信质量问题。对于通信质量差的节点，节点会将其从邻居节点中删除，在分簇方法进行中，不再接收来自该节点的信息。

5节点的分簇速度与节能考虑

为了节省各个节点的能耗，并加快分簇的速度，在设计中，节点在完成一次分簇方法后，可以进入睡眠模式，只有当其邻居节点的标识变化时节点才会被唤醒，进行下一轮的分簇。

具体实施时：

结合仿真环境对本发明作进一步详细描述。如图1所示，该场景的区域大小为100m*100m。区域内有30个无线传感器节点组成。节点位置固定，地位相同。

最初状态时，每个节点本身视为一个agent，并分配每个agent一个唯一的标识。初始阶段，每一个agent都视作一个簇。每一个agent发送包含自己标识号的广播包，接收到的节点将广播包中包含的标识号储存在邻居节点列表中，即将信息来源节点作为该节点的邻居节点，如图2所示。在一次广播后，各节点统计自身的邻居数，并继续将自身邻居数广播，通过一轮简单的汇总，节点即可计算出的整体网络的连接数与邻居节点的连接数。

我们引入FN分簇优化方法：

$Q=\frac{1}{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{ij}}{A}_{\mathrm{ij}}}\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}[A_{\mathrm{ij}}-\frac{k_i{k}_j}{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{ij}}{A}_{\mathrm{ij}}}]=1-\frac{k_i{k}_j}{{\left({\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{ij}}{A}_{\mathrm{ij}}\right)}^2}.$

其中，A＝(A_ij)_n×n是网络的临界矩阵，k_i是节点i的度。

节点通过自发计算，在包括自身节点和邻居节点中找出能使Q最大化的节点标识号，并用该标识号替换自身的标识号，同时将新的标识号告知邻居节点，如图3所示。

在一轮标识号更新完成后，各个节点的标识号发生改变，再按照上述步骤进行第二次分簇优化方法，这样的分簇优化过程反复多次。在分簇过程中，考虑到无线网络通信的不稳定性，若邻居节点无法连接上，则将该节点从邻居节点列表中删除。若节点的邻居节点的标识号没有发生改变，节点就进入睡眠模式以节省资源，直到邻居节点的标识号改变才被唤醒。当所有节点都进入睡眠模式，分簇优化过程视作终止，标识号相同的节点即认为是在同一个簇中。

由于方法的停止条件比较苛刻，可以根据对于分簇精度要求的不同，设定分簇优化轮数，轮数越大，分簇结果越优秀。考虑到时间与能量消耗，一般设定为50次，其分簇结果就可以接受了。

在上述环境下，仿真数据显示，采用本发明的方法，节点的分簇效果优秀，并且容易实现。以上结果显示，本发明特出的方法具有很高的可行性和合理性。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，其特征是它包括以下步骤：

（1）建立无线传感器网络，为无线传感网络中所有的固定节点分配唯一标识号；

（2）无线传感器中各节点向所在网络发送广播，广播自身节点的标识号，能够收到其他节点的标识号的，就将标识号来源的节点作为其邻居节点，并将自身标识号告知该邻居节点即标识号的发信节点；

（3）各节点收到邻居节点的标识号信息，将该邻居节点的标识号在本地存储，然后各节点依据快速网络分簇优化方法即FN分簇优化方法进行分簇，即各节点计算包括自身节点和邻居节点中，与其邻居节点关联程度Q最大的节点标识号，然后用该标识号替换自身的标识号，同时将新的标识号告知邻居节点；

.

其中，是无线传感器网络的临界矩阵，

、

是节点i、j的度即节点i、j的邻居节点数，Q是一个自定义的标度，表示自身节点与邻居节点的连接紧密程度；

（4）各节点接收到邻居节点标识号更新的信息，则重复步骤3，直到节点未接收到邻居节点的标识号或者更新次数达到设定值，则节点不再更新自身标识号；

（5）、全网络中无节点更新自身标识号，则视作分簇结束，相同标识号的节点即认为在同一簇中，完成无线传感器网络节点的自动分簇。

2.根据权利要求1所述的安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，其特征在于：在首轮发送广播、存储邻居节点的标识号之后，各节点统计自身的邻居数，同时告知邻居节点自身的邻居数，即连接节点数。

3.根据权利要求1所述的安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，其特征在于：在分簇过程中，若邻居节点无法连接上，则将该节点从邻居节点列表中删除。

4.根据权利要求1所述的安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，其特征在于：步骤4中，更新次数的设定值不少于50次。

5.根据权利要求1所述的安全的无线传感器网络节点的自动分簇方法，其特征在于：各节点在完成一次分簇方法后，进入睡眠模式，当其邻居节点的标识号变化时节点才会被唤醒，进行下一轮的分簇。

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