CN105979561B - 基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感网络分簇方法及系统，尤其是涉及一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法及系统。本发明通过区域内能量消耗自适应递归的方式对自感阈值的计算，采取综合考虑优选系数及轮询时间的方式完成区域结构的更新，保障CH节点的性能最优，实现传感数据在簇区域内的稳定传输。

Description

基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法及系统

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络分簇方法及系统，尤其是涉及一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法及系统。

背景技术

无线传感网络通过数量巨大的廉价传感器节点进行组网，能够有效的提高工业生产等过程中的智能化程度。然而，由于传感器节点具有能量受限的特性，一旦发生电池耗尽的现象，则将出现因汇聚通道抖动严重而导致控制及汇聚受阻的现象。

为解决当前无线传感网络技术中客观存在的数据难以稳定传输汇聚的问题，现有技术提出了相应的数据传输方法：

例如，Akyildiz等基于改进的能量感知稳定策略，提出了自适应平衡方法(HDA方法)，有效减缓了数据随机分布状态下的稳定传输问题，并优化了数据传输路径。但是，该方法对节点密度非均衡分布状态下的网络节点及传输状态考虑的不够，导致当节点密度较低且分布不均衡情况下网络数据传输抖动严重，降低了传感网络性能。

例如，Sichitiu等提出了基于粒子映射稳定机制的节点流平衡选择方法(GCPS方法)，实现了网络拥塞状态下对网络数据的高效稳定传输。然而，该机制对网络传输受限状态下的考虑较少，难以在带宽受限状态下进行数据的高效稳定传输。

例如，Seema等提出了基于传输抖动控制的数据稳定传输方法，实现了数据传输能量的稳定。但是该方法仅仅针对部分出现波动的分簇区域进行稳定控制，对全网数据传输波动方面考虑的不够，削弱了方法的适用性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法及系统，其目的在于：优化簇头节点的选择，解决当节点密度较低且分布不均衡时，传感器网络数据传输抖动严重，性能下降的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法，其将传感器节点划分为包括簇头节点和簇成员节点的簇，

所述簇头节点基于簇成员节点的能量自感阈值调整簇成员节点被选为簇头节点的概率；其中，所述能量自感阈值基于以下公式：

式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i,j为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇成员节点。

优选的，上述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法，基于以下公式计算簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系数μ_i，并且，当且仅当μ_i的数值大于簇头节点的能量自感应阈值H_Door(CH)时，才进行更换：

式中，CH为簇头节点。

优选的，上述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法，簇头节点基于以下公式判断是否进行簇头节点的更换：

式中，Time(i)为周期T内簇成员节点i成为簇头节点所消耗的轮询时间，λ∈[0,1]为路径调整因子，T∈[0,1]为簇头节点的更新周期，ω∈[0,1]为路径递归因子；

并且，当且仅当Time(i)小于T时，才进行簇头节点的更新。

优选的，上述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法，

簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进行传输；其中，基于下式计算Num：

其中，η为调节参数；B为簇头节点的带宽，i,k为簇头节点。

一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇系统，包括多个簇，并且簇内包括簇头节点和簇成员节点，其特征在于：

所述簇头节点基于簇成员节点的能量自感阈值调整簇成员节点被选为簇头节点的概率；

其中，所述能量自感阈值基于以下公式：

式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i,j为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇成员节点。

优选的，上述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇系统，

基于以下公式计算簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系数μ_i，并且，当且仅当μ_i的数值大于簇头节点的能量自感应阈值H_Door(CH)时，才进行更换：

式中，CH为簇头节点。

优选的，上述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇系统，簇头节点基于以下公式判断是否进行簇头节点的更换：

式中，Time(i)为周期T内簇成员节点i成为簇头节点所消耗的轮询时间，λ∈[0,1]为路径调整因子，T∈[0,1]为簇头节点的更新周期，ω∈[0,1]为路径递归因子；

并且，当且仅当Time(i)小于T时，才进行簇头节点的更新。

优选的，上述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇系统，簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进行传输；其中，基于下式计算Num：

其中，η为调节参数；B为簇头节点的带宽，i,k为簇头节点。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：通过区域内能量消耗自适应递归的方式对自感阈值的计算，采取综合考虑优选系数及轮询时间的方式完成区域结构的更新，保障CH节点的性能最优，实现传感数据在簇区域内的稳定传输。

附图说明

附图1是本发明的区域阈值成型流程图；

附图2本发明的簇间分流优化流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例通过对网络流资源进行分割优化，实现簇内优化传输，同时针对簇间区域路径抖动问题，采取簇间路由优化机制，最终达到路径稳定的目的。整个算法由基于自感阈值的区域成型和簇间分流优化两个过程。

1、基于自感阈值的区域成型

在传感网开始运作时候，承担数据上传任务的节点(UH节点)将自身精确时钟信息(Timer)以广播形式发送，节点i在接收到Timer分组报文之后，根据自身位置坐标与UH节点间进行距离计算，得到距离最近的节点作为簇头节点(CH节点)。在确定自身隶属的簇区域后，节点i将自身标记为簇成员节点(PCH节点)，并将自身信息以Hello分组的形式广播到CH节点中。

考虑到Hello分组携带了发射节点全部的能量消耗信息，可反映能量消耗速度，而CH节点首先需要综合考虑区域内的其他节点能量消耗情况，然后根据能量情况的排序实现对区域内的CH节点更新，因此可以根据区域内其他节点能量加权评估的方式对当前CH节点状况进行估计。

CH节点在接收到Hello分组之后，计算节点i的能量自感阈值H_Door(i)：

其中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，j为隶属于与节点i同区域内的其他PCH节点。

若节点i希望通过选举的方式成为CH节点，则需要通过模型(1)计算路径自感阈值，由于区域内的任意一个节点都有机会被选取为CH节点，不妨设当前节点为i，其自感阈值为H_Door(i)，显然该阈值越大，表明该节点的性能越好，一旦当前CH节点出现故障，则节点i被选举为CH节点的可能性也就越大。为便于计算，通过综合考虑区域内节点的阈值加权∑H_Door(i)并考虑当前CH节点对下一时刻的阈值具有正向的反馈，因此计算选取系数μ_i来进行CH节点竞争判断：

当且仅当μ_i的数值大于H_Door(CH)时，才进行簇头节点更换。由于模型(2)的数值大小对节点更换过程影响很大，在一定周期T节点i成为CH节点所消耗的轮询时间Time(i)为：

其中，λ∈[0,1]为路径调整因子，T∈[0,1]为簇头节点的更新周期，ω∈[0,1]为路径递归因子。当仅当Time(i)小于T时，才进行CH节点的更新。

整个区域阈值成型流程如图1所示。从图1可知，当前CH节点一方面不断接受当前PCH节点罚没款的信息，同时将Timer分组进行广播，且PCH节点不断进行自感阈值的计算，一旦当前PCH节点的自感阈值达到模型(2)的触发条件，即进行CH节点更换，并建立新的簇区域结构，直到再次触发更换条件为止。

2、簇间分流优化

在完成区域阈值成型过程之后，将启动簇间数据流资源的分割，CH节点在接收到PCH节点发送的数据资源之后，将分割成多个并发传输的数据分组，随后将这些数据分组以最小成本代价发送至其他CH节点。

设某个CH节点在接收其他PCH节点发送的数据之后，以带宽B将数据分割为Num个独立的数据流进行发送，对于该CH节点而言，下一跳的全部其他区域的CH节点均可以作为传输路径的下一跳节点，且通过合理选取下一跳的CH节点将能够有效的降低发送能量开支，因此对于当前CH节点i而言，计算其能力消耗H(i)及与其他节点k能量消耗H(k)的比例，能够将传输带宽进行再分配，同时降低能量消耗。此外数据发送过程中的最大带宽不能超过当前网络的最大传输带宽B，因此可将当前数据分割为Num条子路径的方式进行数据传输。

Num的计算公式如下所示：

其中，η为调节参数，一般取区域内节点个数的倒数；B为簇头节点的带宽，i,k为簇头节点。

当前CH节点完成对即将上传的数据进行分割之后，设CH节点(i节点)将Num个独立的数据流传输至下一个CH节点，若为k节点，当μ_i、Time(i)能够同时与节点k实现比例最大化，即μ_i和Time(i)与μ_k及Time(k)的比值同时取最大时，说明传输中节点i消耗的能量最小，消耗的时间最低，则最优流传输函数F_cost满足：

其中ψ为比例系数，一般取0.5～1。

当前CH节点通过不断计算与其他节点之间的最优函数，选取数值最大的最优函数对应的节点k作为下一跳节点，则完成整个数据路径选取优化过程。

整个流程如图2所示。从流程图可以看到，当前CH节点在选取传输路径时，会首先对可能的下一跳CH节点进行搜寻，并根据模型(4)、(5)计算结果得到最优传输函数，然后将前Num个最大的最优传输函数对应的下一跳CH节点作为传输节点，从而实现了数据传输。该过程不断递归，直到数据被传输到sink节点中为止。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法，其将传感器节点划分为包括簇头节点和簇成员节点的簇，其特征在于:

所述簇头节点基于簇成员节点的能量自感阈值调整簇成员节点被选为簇头节点的概率；其中，所述能量自感阈值基于以下公式：

式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i,j为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇成员节点；

基于以下公式计算簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系数μ_i，并且，当且仅当μ_i的数值大于簇头节点的能量自感应阈值H__Door(CH)时，才进行更换：

式中，CH为簇头节点。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法，其特征在于:簇头节点基于以下公式判断是否进行簇头节点的更换：

式中，Time(i)为周期T内簇成员节点i成为簇头节点所消耗的轮询时间，λ∈[0,1]为路径调整因子，T∈[0,1]为簇头节点的更新周期，ω∈[0,1]为路径递归因子；

并且，当且仅当Time(i)小于T时，才进行簇头节点的更新。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇方法，其特征在于:簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进行传输；其中，基于下式计算Num：

其中，η为调节参数；B为簇头节点的带宽，i,k为簇头节点。

4.一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇系统，包括多个簇，并且簇内包括簇头节点和簇成员节点，其特征在于：

所述簇头节点基于簇成员节点的能量自感阈值调整簇成员节点被选为簇头节点的概率；

其中，所述能量自感阈值基于以下公式：

式中，H(i)表示节点i已经消耗的能量，i,j为属于相同簇的簇成员节点，PCH为簇成员节点；

基于以下公式计算簇成员节点被选取成为簇头节点的选取系数μ_i，并且，当且仅当μ_i的数值大于簇头节点的能量自感应阈值H_Door(CH)时，才进行更换：

式中，CH为簇头节点。

5.根据权利要求4所述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇系统，其特征在于:簇头节点基于以下公式判断是否进行簇头节点的更换：

式中，Time(i)为周期T内簇成员节点i成为簇头节点所消耗的轮询时间，λ∈[0,1]为路径调整因子，T∈[0,1]为簇头节点的更新周期，ω∈[0,1]为路径递归因子；

并且，当且仅当Time(i)小于T时，才进行簇头节点的更新。

6.根据权利要求4所述的一种基于能量自感阈值的无线传感网络分簇系统，其特征在于:

簇头节点将簇成员节点发送的数据分割成Num条独立的数据流进行传输；其中，基于下式计算Num：

其中，η为调节参数；B为簇头节点的带宽，i,k为簇头节点。