CN103179631B - 一种选取最优角度进行分簇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种最优角度分簇的方法，其过程包括：随机产生一个参考角度γ；取定一个角度α，将区域均等分割；将区域分环，选出标记位置，成簇和选簇头；每个簇头选一个中继簇头，由中继簇头建立一个最小树；数据传输，算法轮数加1，若轮数大于算法停止要求，则算法结束。本发明具有效率高，针对性和普适性较强的优点，可用于对无线传感网络进行分簇。

Description

一种选取最优角度进行分簇的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域中的无线传感网络，具体涉及网络分簇路由协议的选择方法。

背景技术

无线传感器网络（WSNs,wireless sensor networks）就是由部署在监测区域内大量的微型传感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络，其目的是协作的感知,采集和处理网络覆盖区域中的感知对象的信息，并发送给观察者，健康，家庭和其它的商业领域。

WSNs本质上是一类特殊的自组织网络，具有以下特点：

1、节点的能量，计算和存储能力严格的受限；

2、节点易失效，网络拓扑结构频繁变化；

3、节点部署后位置一般不发生变化。

一方面，传感器节点依靠电池供电且通常工作在无人坚守的环境下，能量不能补充因此能量优化要贯穿于通信，工作模式，任务协调，数据管理等各个层面；

另一方面，无线传感器网络是面向具体应用的，不同的应用有不同期望的服务质量要求，网络设计首先要考虑应用的服务质量，同时，传感器节点所采集的感知数据又有很强的相关性，这种关性使得数据在时间和空间上都可以存在冗余，减少冗余也肠胃无线传感器网络考虑的一个重点。

WSNs数据聚合技术也面临诸多挑战，如严格资源受限(节点能量、带宽、内存、缓冲区、处理能力、传输功率)、流量的不均衡、数据冗余、网络动力学(节点/链路失效、节点移动性、节点状态迁移)、多数据流的同步、数据的时间敏感特性(Delay-Sensitive)、数据紧急性(Packet Criticality)、无线通信的不可靠性。如何应对上述挑战并提供满足带宽(Bandwidth)、异构可靠性要求(Heterogeneous Reliability Requirements)、延迟限制(Delay Bounds)、容错(Failure-Tolerance)的能量有效的数据收集协议，需要考虑以下几个问题和难点：

1.如何刻画多媒体传感器网络或混合传感器网络的异构性，建立应用需求相关的传感器网络服务质量体系和技术框架，从而为传感器网络的数据传输和路由提供参考。

2.如何设计具有针对性的数据的聚合策略，在满足数据精确性和时延要求的同时体现对网络能耗的优化。

3.如何设计应用相关的数据收集方法和路由算法以适应其异构性。为此，有必要引入数据聚合技术，充分考虑网络的异构性以实现高效、高质量的数据收集。

传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况，主要包括三个方面：感应、通讯、计算（硬件、软件、算法）。其中的关键技术主要有无线数据库技术，比如使用在无线传感器网络的查询，和用于和其它传感器通讯的网络技术，特别是多次跳跃路由协议。传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源（通常为电池）。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的，从几百美元到几美分，这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与频宽的受限。

目前已出现大量的分簇路由协议，从不同角度延长了网络的生命周期。许多节能的路由设计都是基于LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)协议的基础之上产生的算法。LEACH算法是一种自适应分簇拓扑算法，他的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，每个节点随机的选择一个0～1之间的随机数，如果这个数小于小于阈值T(n)，则选择为簇头。T(n)的计算公式如下：

$T\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{P}{1-P\×\left[r\mathrm{mod}(1/P)\right]},n\∈G\\ 0,n\∉G\end{array}\right.$

其中，P是簇头在所有节点中所占的百分比，r是选举轮数，rmod(1/P)代表这一轮循环中当选过簇头的节点的个数，G是这一轮循环中未当选过簇头的节点的集合。

节点当选簇头以后，发布通知消息告知其它的节点自己是新簇头。非簇头节点根据自己与簇头之间的距离来选择加入那个簇，并告知该簇。当簇头接收到所有的加入信息后，就产生一个TDMA定时消息，并且通知改簇中的所有节点，完成簇的建立阶段。数据传输阶段，节点周期性的采集数据，并将数据发送给簇头，簇头进行数据融合后，将结果直接发送给基站。

为了解决LEACH中簇头因与基站直接通信能耗过大，簇头与基站距离不同导致簇头能耗不均的问题，研究人员提出了BCDCP协议。BCDCP中簇头不直接与基站通信，而是在簇头之间构建最小生成树，以多跳的方式将数据传送到基站。LEACH是一种分层路由协议，和平面路由协议比较来说延长了网络的30%生命周期，减少了节点的负载，但是它还是存在以下缺点；

1.簇头的选举策略使得簇头分布不均匀，使某些节点死亡的较早。

2.簇头与基站直接通信，当网络规模大时，消耗能量加快，缩短了生命周期。

BCDCP虽然簇间多跳传输信息，但是簇头消耗的能量过多，也会导致节点能量消耗较快，限制网络生命周期，使得能量分布不均匀。

因此，基于LEACH和BCDCP的上述缺点，有必要提出一种新的分簇算法，降低了节点能耗，延长了网络的生命周期，均衡了能量消耗。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种最优角度分簇方法，所述方法和大部分的分簇协议一样是按轮运行的，每轮分为成簇阶段和稳定数据传输阶段，稳定的数据传输阶段分为数据聚合和数据传送。

为了便于理解本发明，提出网络模型和能量模型：

网络模型

假设网络区域是以点(x₀,y₀)为圆心，半径为R的圆形区域，基站位于圆心，N个传感器节点随机的分布在区域中，每个传感器节点具有如下性质：

（1）所有传感器节点布置后不在移动，这符合大多数应用环境，且都有一个唯一的标识ID；

（2）所有传感器节点都知道自己的地理位置和剩余能量，也知道基站的位置；

（3）所有节点都具有数据聚合的功能，能够将多个数据包压缩成为一个相同大小的数据包；

（4）假设每个节点都有足够的空间存储本簇所有节点与其它簇头的地理位置和剩余能量信息；

（5）节点是同构的，具有相同的初始能量，且节点的发射功率是可控制的，因而发射距离是可调的；

（6）节点的剩余能量不能补充；

（7）基站具有强大的计算能力和能量。

无线能量模型

无线传感器网络节点消耗能量的模块包括传感器模块，处理器模块和无线通信模块，每个簇头节点的能量消耗为从成员节点接收数据、聚合数据及将数据发往基站消耗的能量的总和。采用简单的能量消耗模型，取定一个门限距离d₀，传感器节点传输距离小于d₀时，能量消耗与距离的平方成正比，当距离大于d₀时，消耗的能量与距离的四次方成正比。从而传感器节点发送和接受kbit数据时消耗的能量分别为：

$E_{\mathrm{Tx}}(k,d)=E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{elec}}\left(k\right)+E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{amp}}(k,d)$

$=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{kE}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{k\&epsiv;}}_{\mathrm{fs}}{\mathrm{sd}}^2,d<d_0\\ {\mathrm{kE}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{k\&epsiv;}}_{\mathrm{mp}}{\mathrm{sd}}^4,d\&GreaterEqual;d_0\end{array}\right.$

E_Rx(k)＝E_Rx-elec(k)-kE_elec

其中E_Tx-elec和E_Rx-elec分别为节点的发送电路和接收电路消耗的能量；E_elec表示发射装置和接收电路每发送或接收单位bit数据的能量消耗，取决于数字编码、调制、滤波、扩频信号等因素；ε_fs和ε_mp为节点中的放大电路在单位面积内传播单位bit数据消耗的能量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种选取最优角度进行分簇的方法，包括无线传感器网络，以及分布在所述无线传感器网络的节点，所述方法包括以下步骤：

（1）在所述无线传感器网络区域中随机产生一个角度γ，其中，所述角度γ为参考角度；

（2）取定一个角度α，将所述区域均等分割为N个扇形，其中，每个分割角度为α；

（3）将所述区域划分为M个环形，选取所述N扇形的边与所述N个环形具有相交的点并标记；且向所述N个扇形作角平分线，选取所述N个扇形的角平分线与环相交的线段的中点并标记；选出标记位置，成簇和选簇头；

（4）根据所述标记计算分簇和选择簇头，其中，在每个所述的簇头中选择一个中继簇头，并由所述中继簇头建立一个最小树；

（5）数据聚合和数据传送。

需要说明的是，所述随机角度γ为0～90度。

需要说明的是，所述计算分簇和选择簇头方法为：

（1）根据标记所述N扇形的边与所述N个环形具有相交的点，以及所述N个扇形的角平分线与环相交的线段的中点，按照每个所述标记点处选择一个簇头，即可计算获得所述网络的总簇头数；

（2）成簇时，所述节点选择离其最近的所述标记点加入该虚拟簇，在所述虚拟簇中选择和标记点位置最近的节点作为簇头；

（3）所述节点当选簇头后，向其它节点发布通知消息告知是新簇头非簇头节点，所述其他节点根据其与所述簇头之间的距离来选择加入哪个簇，并告知该簇，当簇头接收到所有的加入信息后，将产生一个TDMA定时消息，并且通知该簇中的所有节点，完成簇的建立阶段。作为一种优选的方案，在所述成簇时，所述节点为未当过簇头或中继簇头。

需要说明的是，建立最小树及数据传送的方法为：

（1）所述簇头选择离自己距离最近的节点作为中继簇头，由所有的中继簇头和基站形成一颗以基站为根的最小树；

（2）数据传送时，所述节点周期性的采集数据，并将所述数据发送给所述簇头，所述簇头将所述数据进行聚合后，簇头首先将聚合后数据发送至其中继簇头，再通过建立的所述最小树将所述数据发送到基站，完成一个周期。

需要说明的是，所述当选过簇头和中继簇头的数量大于总节点数的80%时，全网节点全部视为没有当选过簇头或中继簇头，再次周期性的进行数据传输。

作为一种优选的方案，所述角度α可为90度。

本发明有益效果在于：

1、本发明由于以实际测量数据处理为基础，针对无线网络中的热点问题进行分析，建立模型，使节点能量消耗达到均衡，延长网络寿命；

2、提出了最优角度策略来延长网络寿命和均衡能量消耗。特别是把簇头分布和中继簇头传输信息作为因素考虑进去，使得簇头分布均匀；

3、通过仿真结果表明，自主移动策略很好的延长了网络生命周期，均衡了节点的能量消耗。但是本发明在簇头和中继簇头数量达到80%时，把全网的节点视为没有当选过簇头和中继簇头，重新开始，方法理论基础可靠、运行稳定，具有较高的路由成功概率，同时路由方法实现简单。

附图说明

图1为网络分簇示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3、为本发明针对α角对生命周期的影响曲线；

图4为本发明与LEACH、BCDCP算法不同轮数下存活节点数的比较结果；

图5为本发明平均能量随轮数的变化示意图；

图6为本发明能量方差随生命周期的变化曲线；

图7为本发明实施参数对网络寿命的影响示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1、图2所示，本发明为一种选取最优角度进行分簇的方法，包括无线传感器网络，以及分布在所述无线传感器网络的节点，所述方法包括以下步骤：

（1）在所述无线传感器网络区域中随机产生一个角度γ，其中，所述角度γ为参考角度；

（2）取定一个角度α，将所述区域均等分割为N个扇形，其中，每个分割角度为α；

（3）将所述区域划分为M个环形，选取所述N扇形的边与所述N个环形具有相交的点并标记；且向所述N个扇形作角平分线，选取所述N个扇形的角平分线与环相交的线段的中点并标记；选出标记位置，成簇和选簇头；

（4）根据所述标记计算分簇和选择簇头，其中，在每个所述的簇头中选择一个中继簇头，并由所述中继簇头建立一个最小树；

（5）数据聚合和数据传送。

需要说明的是，随机的选取一个0～90度的γ角度作为参考角，再选定一个角度α，将区域均等的分割成为扇形，使得每个角的度数等于α，再将区域分为M个环，再从每个扇形做角平分线。每个扇形的边与环相交的点标记下来，如图1所示，A、B、C分别为相交点；每个扇形的角平分线与环相交的线段的中点，即点E和点F，然后在每个标记点处要选一个簇头，可以计算出网络的总簇头数，成簇时，节点选择离自己最近的标记位置加入该虚拟簇，在该簇中选择和标记位置最近的的节点作为簇头，且该节点未当选过簇头或中继簇头。节点当选簇头以后，发布通知消息告知其它的节点自己是新簇头非簇头节点根据自己与簇头之间的距离来选择加入那个簇，并告知该簇。当簇头接收到所有的加入信息后，就产生一个TDMA定时消息，并且通知该簇中的所有节点，完成簇的建立阶段。

另一阶段，由于簇头接受簇成员的信息消耗能量，再加上长距离的发送信息消耗能量，所以簇头消耗能量较大，所以很有必要为簇头选择一个节点代替簇头进行簇间的信息转发，称此节点为中级簇头。簇头选择离自己距离最近的节点作为中继簇头。由所有的中继簇头和基站形成一颗以基站为根的最小树。数据传输阶段，节点周期性的采集数据，并将数据发送给簇头，簇头将数据进行聚合后，簇头首先将聚合后信息发送到自己的中继簇头，在由建立的最小树将信息发送到基站，完成一个周期，这样发送一段时间后，当选过簇头和中继簇头的数量大于总结点数的80%时，把全网节点全部视为没有当选过簇头或中继簇头，再次周期性的进行数据传输。

作为一种优选的方案，在所述成簇时，所述节点为未当过簇头或中继簇头。

仿真实验：

仿真条件

算法仿真时，我们将节点随机放在圆形区域中。仿真时我们把第一个节点死亡时的轮数作为网络的生命周期，将本发明与现有方法LEACH和BCDCP进行比较。

仿真过程及结果分析

1、α角对生命周期的影响

如图3所示，不同的α角对网络寿命有不同的影响，当α角为30度时，网络的生命周期最小，这是因为α为30度时，出现的簇头数量增多，簇头和中继簇头的能量消耗加快，导致缩短网络的生命周期，若在簇头进行适当的数据聚合，网络的生命周期就会大幅增加。当α为120度时，网络的生命周期最大，说明这时的簇头数量是最优的。

2、相同轮数下存活节点数

如图4所示，LEACH的结果最差，因为LEACH是单跳传输信息，消耗能量最快。BCDOP较好于LEACH，因为它是由多跳路由传输信息到基站，而本发明的结果最好，这是因为，簇头分布均匀且簇头首先将融合后的数据传给中继簇头，然后由中继簇头多跳的把信息传输到基站，这样节点消耗的能量比较的均衡，所以节点死亡的速度最慢。

3、平均能量随生命周期的影响

当α为90度时，如图5所示，的生命周期比LEACH和BCDCP的算法的生命周期都大，而且本发明每轮的平均能量大于LEACH和BCDCP。因此本发明在很大程度上改善了网络寿命，减小了能量消耗。

4、方差随生命周期的变化：

当α为90度时，如图6所示，本发明的网络能量消耗最均衡，生命周期最大，当第一个一点死亡时，能量方差仍然是很小，极大地均衡了节点的能量。

5、参数对网络寿命的影响

如图7所示，不同的角度对节点数变化的影响不同，当α为30度时，随着网络节点数的增加网络生命周期持续增加，而α为120度时，随着节点数的增加网络的生命周期基本上是下降的。α为90度时，在网络节点为300时，网络的生命周期成为一个峰值，生命周期达到最大。因此网络节点数N=300，角度α=90为最佳取值。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种选取最优角度进行分簇的方法，包括无线传感器网络及其形成的区域、分布在所述区域中的节点以及位于所述区域圆心的基站，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)以所述基站为圆心，在所述无线传感器网络的区域中随机产生一个角度γ，其中，所述角度γ为参考角度；

(2)取定另一个角度α，将所述区域均等分割为N个扇形，其中，每个分割角度为α；

(3)将所述区域划分为M个环形，选取所述N个扇形的边与所述M个环形相交的点并标记；且向所述N个扇形作角平分线，选取所述N个扇形的角平分线与环相交的线段的中点并标记；选出标记位置，成簇和选簇头；

(4)根据所述标记计算分簇和选择簇头，其中，每个簇头选择离自己距离最近的节点作为中继簇首，并由所述中继簇首建立一个最小树；所述计算分簇和选择簇头的方法为：

(4.1)将所述N个扇形的边与所述M个环形相交的点，以及所述N个扇形的角平分线与环相交的线段的中点标记后，按照每个标记点处选择一个簇头，即可计算获得所述网络的总簇头数；

(4.2)成簇时，所述节点选择离其最近的所述标记点加入该簇，在所述簇中选择和标记点位置最近的节点作为簇头；

(4.3)所述节点当选簇头后，向其它节点发布通知消息告知是新簇头而并非簇头中的节点，所述其它节点根据其与所述簇头之间的距离来选择加入哪个簇，并告知该簇，当簇头接收到所有的加入信息后，将产生一个TDMA定时消息，并且通知该簇中的所有节点，完成簇的建立阶段；

(5)数据聚合和数据传送。

2.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述参考角度γ为0～90度。

3.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，在所述成簇时，当选成为簇头的节点应当之前未当过簇头或中继簇首。

4.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，建立最小树及数据传送的方法为：

(1)由所有的中继簇首和基站形成一棵以基站为根的最小树；

(2)数据传送时，节点周期性的采集数据，并将所述数据发送给所述簇头，所述簇头将所述数据进行聚合后，簇头首先将聚合后的数据发送至其中继簇首，再通过建立的所述最小树将所述数据发送到基站，完成一个周期。

5.根据权利要求4所述的分簇方法，其特征在于，当选过簇头和中继簇首的节点的数量大于总节点数的80％时，全网节点全部视为没有当选过簇头或中继簇首，将网络重设为初始状态，重新执行分簇、簇头选取和数据传输的过程。

6.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述角度α选择为90度。