CN108337713B - 基于改进k均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法 - Google Patents

基于改进k均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进K均值的的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法，其特征是，包括如下步骤：计算最优聚类簇首数目；计算K均值算法的初始质心；将每个传感器节点根据欧氏距离分配给距离最近的质心；计算每个簇新的质心位置；误差函数取得最小值；各簇内节点按照到对应簇内质心的距离编号；选择距离各簇内质心最近的节点为初始簇首；计算网络运行过程中每一轮簇首节点发送数据信息到基站消耗的能量；计算簇首能量阈值；判断当前簇首在下一轮是否继续担任簇首。优点：不再以轮为单位重新分簇，每轮仅进行基于剩余能量和地理位置的簇首动态更换；延长整个网络的生命周期。

Description

基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法
技术领域
本发明涉及一种基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法，属于无线传感网技术领域。
背景技术
近年来，矿井重大事故频发，造成了国家财产和公民生命的巨大损失，矿井安全生产和应急救援已成为社会关注的焦点。因无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)具有部署方便、成本低、结构灵活和抗毁性强等优点，所以特别适应用于矿井下的综合监测。考虑到矿井下无线传感的拓扑呈长距离带状，节点信息流方向主要由采掘面向巷道出口单方向进行，处于不同区域的节点转发的路由信息和数据量有很大不同，因而能耗不均、数据冗余及数据延迟问题十分严重。如果采用平面多跳路由协议，数据收集过程会转发大量冗余信息，且需维护复杂的路由表，适用性不强。基于分簇的路由协议结合了数据融合技术，能显著降低数据延迟、提高能量有效性和网络的可扩展性，相比之下具有更好的适用性。
长带状环境对无线传感网络中的分簇算法提出了更高的要求。分簇算法是将网络划分为一个个的簇，每个簇中包含一个簇首和若干个簇成员，成员节点将感知信息发送给簇首，簇首对数据进行融合后发送给基站。文献[Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan H.Energy-efficient communication protocol for wireless sensornet-work[C].Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on SystemSciences.Hawaii,USA：[s.n.],2000.]提出了一种低功耗自适应分簇层次路由协议，即LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议。该协议首次提出了“轮”的概念，每轮又分为建立簇和稳定的数据传输两个阶段。但是，该算法每轮根据阈值公式选择簇首，具有很大的随机性，每轮选举的簇首个数不定、分布范围随意性大，导致节点耗能不均，过早死亡。针对LEACH协议存在的不足，文献[乔俊峰，刘三阳，曹祥宇.无线传感器网络中基于节点密度的簇算法[J].计算机科学，2009，36(12)：46-49]将节点密度引入阈值公式，从而平衡了各簇网络负载，降低网络中的能量分布不均问题。文献[Li C F,Chen G H,YeM.An uneven cluster-based routing protocol for wireless sensor networks[J].Chinese Journal of Computers,2007,30(1)：27-36.]提出了一种能量高效的非均匀分簇算法(Energy Efficient Uneven Clustering,EEUC)，以候选簇首离基站的距离为参数计算非均匀竞争半径，使靠近基站的簇首的簇规模更小，为这些簇首预留更多的能量用于数据转发。
现有的技术主要是针对普通的应用场景设计，而在长带状的矿井环境下，由于其特殊的线性网络拓扑结构，导致单跳通信扩展性差且簇间能耗不均；而采用多跳通信的均匀分簇，使得靠近基站的簇首节点因转发数据而消耗大量能量，存在严重的“热区”效应，其性能将受到严重制约。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于改进K均值的无线传感网非均匀分簇路由方法(Uneven Clustering Routing Protocol based onimproved K-means,UCRPK-means)，不再预先设定固定的簇首节点，而是根据节点到基站的距离，改进K均值中初始质心的选择来构造规模不等的簇，离基站越近其规模越小，簇首节点根据剩余能量和地理位置进行动态更换。在融合数据传输阶段根据簇首与基站的距离采用单跳与多跳混合的方式与基站通信。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于改进K均值的的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1:计算最优聚类簇首数目Kopt：
Figure BDA0001564658820000021
其中，N为传感器节点的总数量，εfs为自由空间模型放大器能耗，εmp为多路衰减放大器能耗，M1、M2分别为环境区域的长和宽，dtoBS为所有传感器节点到基站的平均距离；
步骤2：计算K均值算法的初始质心：
计算每个传感器节点到基站的距离，并按照升序排列，统计距基站距离小于d0的节点个数count，其中
Figure BDA0001564658820000031
为常数，计算
Figure BDA0001564658820000032
把根据距基站距离升序排列的N个节点划分为Kopt个长度为scale(i)的非均匀集合，其中i＝1,2,…，Kopt；scale(i)＝count+r×(i-1)；在每个集合中，取中间节点为初始质心μk；
步骤3：将每个传感器节点根据欧氏距离分配给距离最近的质心μk；
步骤4：计算每个簇新的质心位置；
其中，X、Y分别表示该簇质心的横纵坐标；xi、yi分别表示传感器节点的横纵坐标；S为其簇内成员个数；
步骤5：重复步骤3和步骤4，直至平方误差函数取得最小值；
步骤6，簇结构形成后，各簇内节点按照到对应簇内质心的距离编号，距离越近编号越小；
步骤7，选择距离各簇内质心最近的节点为初始簇首，即编号最小的节点，发送广播消息通知簇内节点当前簇首的节点编号；
步骤8，计算网络运行过程中每一轮簇首节点发送数据信息到基站消耗的能量；
步骤9，计算簇首能量阈值；
步骤10，判断当前簇首在下一轮是否继续担任簇首。
进一步的，所述步骤4，每个簇新的质心位置为：
Figure BDA0001564658820000033
其中，X、Y分别表示该簇质心的横纵坐标；xi、yi分别表示传感器节点的横纵坐标；S为其簇内成员个数。
进一步的，所述步骤5：误差的误差函数为
Figure BDA0001564658820000041
当误差函数取 得最小值时，迭代终止，传感器节点样本集D＝{x1,x2,…,xN},聚类为
Figure BDA0001564658820000042
其中，xn为第n个传感器节点；Ck表示第k个聚类簇集合；
Figure BDA0001564658820000043
表示节点n被归类到簇k时为1，否则为0。
进一步的，所述步骤8)，通过中间节点以多跳方式发送数据的簇首每轮消耗的能量EICH为：
Figure BDA0001564658820000044
直接与基站以单跳方式发送数据的簇首每轮消耗的能量ECH为：
Figure BDA0001564658820000045
其中l为传输的信息数据包长度；Eelec为无线收发电路能耗；EDA为数据融合能耗；nc为簇内成员数目；ni为此簇首作为中间节点的总跳数；dtoICH为簇首到中间节点的距离；Kc为和基站以多跳方式传输数据的簇首总数；dCHtoBS为簇首到基站的距离；
进一步的，所述步骤9，簇首能量阈值Ethreshold为：
Figure BDA0001564658820000046
其中l为传输的信息数据包长度；Eelec为无线收发电路能耗；EDA为数据融合能耗。
进一步的，所述步骤10，如果当前簇首的剩余能量Eresidual大于簇首能量阈值Ethreshold，此节点仍为簇首节点，否则，检查簇内所有成员节点的编号，选择大于当前簇首节点编号且编号最小的节点作为新的簇首；新的簇首节点向簇内成员节点发送广播信息，通知簇内成员节点下一轮的簇首节点编号。
本发明所达到的有益效果：
本发明使用改进K均值的方法对随机分布的无线传感网进行非均匀分簇，并设计在长距离带状区域环境下基于此种分簇的分层路由方法。所述方法是：根据节点到基站的距离，改进K均值中初始质心的选择来构造规模不等的簇，离基站越近其规模越小。簇首节点根据剩余能量和地理位置进行动态更换。在融合数据传输阶段根据簇首与基站的距离采用单跳与多跳混合的方式与基站通信。本发明中分簇一旦建立，不再以轮为单位重新分簇，每轮仅进行基于剩余能量和地理位置的簇首动态更换。和Li提出的EEUC算法相比，基于改进K均值的矿井环境无线传感网非均匀分簇路由方法能够有效均衡网络负载，延长整个网络的生命周期。仿真验证了，在同等条件下，本发明的分簇路由方法UCRPK-means性能优于EEUC算法。
附图说明
图1是本发明基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法(UCRPK-means)与能量高效的非均匀分簇算法(EEUC)簇首能耗方差比较图；
图2是本发明基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法(UCRPK-means)与能量高效的非均匀分簇算法(EEUC)存活节点个数比较图；
图3是本发明基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法(UCRPK-means)与能量高效的非均匀分簇算法(EEUC)系统能耗比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法，其实施过程如下：
在一个长方形区域内，随机撒布N个传感器节点，D＝{x1,x2,…,xN}表示传感器节点样本集，计算最优聚类簇首数目Kopt：
Figure BDA0001564658820000051
其中，N为传感器节点的总数量；
εfs为自由空间模型放大器能耗；
εmp为多路衰减放大器能耗；
M1、M2分别为环境区域的长和宽；
dtoBS为所有传感器节点到基站的平均距离；
基于矿井环境网络结构呈长距离带状分布，根据传感器节点到基站的距离计算K均值算法的初始质心步骤如下：
1、计算每个传感器节点到基站的距离，并按照升序排列；
2、统计距基站距离小于d0的节点个数count，其中
Figure BDA0001564658820000061
为常数；
3、计算
Figure BDA0001564658820000062
4、把根据距基站距离升序排列的N个节点划分为Kopt个长度为scale(i)的非均匀集合，其中i＝1,2,…，Kopt；scale(i)＝count+r×(i-1)；
5、在每个集合中，取中间节点为初始质心μk；
将每个传感器节点根据欧氏距离分配给距离最近的质心μk；然后计算每个簇新的质心位置
Figure BDA0001564658820000063
其中，X、Y分别表示该簇质心的横纵坐标；xi、yi分别表示传感器节点的横纵坐标；S为其簇内成员个数；
重复上面的步骤，直至误差函数
Figure BDA0001564658820000064
取得最小值，迭代终止，传感器节点样本集D＝{x1,x2,…,xN}聚类为
Figure BDA0001564658820000065
其中，xn为第n个传感器节点；Ck表示第k个聚类簇集合；
Figure BDA0001564658820000066
表示节点n被归类到簇k时为1，否则为0。；
簇结构形成后，各簇内节点按照到对应簇内质心的距离编号，距离越近编号越小；选择距离各簇内质心最近的节点为初始簇首，即编号最小的节点，发送广播消息通知簇内节点当前簇首的节点编号；
在无线传感网通信过程中，传输l比特数据信息所消耗的能量为：
Figure BDA0001564658820000071
其中，
Figure BDA0001564658820000072
为常数；
d为传感器节点之间的距离；
l为传输的信息数据包长度；
Eelec为无线收发电路能耗；
εfs和εmp分别表示自由空间模型放大器能耗与多路衰减放大器能耗；
无线电接受l比特数据信息所消耗的能量为：
ERx(l)＝lEelec
簇首能量阈值为：
Figure BDA0001564658820000073
其中，EDA为数据融合能耗；
Kopt为最优簇首个数；
N为网络中传感器节点的总数量；
dtoBS传感器节点到基站的平均距离；
传感器网络进入下一轮之前，判断当前簇首在下一轮是否继续担任簇首：
如果当前簇首的剩余能量Eresidual大于簇首能量阈值Ethreshold，此节点仍为簇首节点。否则，检查簇内所有成员节点的编号，选择大于当前簇首节点编号且编号最小的节点作为新的簇首；新的簇首节点向簇内成员节点发送广播信息，通知簇内成员节点自己下一轮当选为簇首节点；
簇首节点在传输数据时，首先测算与基站之间距离，如果簇首节点到基站的距离小于d0，簇首节点直接以单跳的方式和基站建立通信以传输数据，否则，沿着簇首节点到基站的方向上，寻找离自己最近的其他簇首节点作为中间节点，以多跳的方式和基站之间传输数据；在数据传输之前，按照上述规则，建立此环境下的网络传输路由表，每个簇首节点均能够查询到自己的下一跳节点；
通过中间节点以多跳方式发送数据信息到基站的簇首节点，每轮消耗的能量EICH为：
Figure BDA0001564658820000081
直接与基站以单跳方式建立通信连接的簇首节点每轮消耗的能量ECH为：
Figure BDA0001564658820000082
其中，nc为簇内成员数目；
ni为此簇首作为中间节点的总跳数；
dtoICH为簇首到中间节点的距离；
Kc为和基站以多跳方式传输数据的簇首总数；
dCHtoBS为簇首到基站的距离；
簇成员节点每轮消耗的能量Enon-CH为：
Figure BDA0001564658820000083
其中，dtoCH为成员节点到对应簇首的距离；
整个网络在数据传输阶段每轮消耗的总能量Eround为：
Figure BDA0001564658820000084
结合仿真结果：
仿真实验中矿井环境为500m×50m的长方形区域，传感器节点总数N＝200，每个传感器节点的能量均为1J，当整个网络中的死亡节点达到初始总节点数的30％时，系统无法继续工作。
图1显示了在随机选取的8轮中，各轮中簇首消耗的能量的方差。从图中明显地看出，根据UCRPK-means分簇所得簇首的方差一直低于根据EEUC分簇所得簇首的方差，因此最好地均衡了簇首的能量消耗，从而说明UCRPK-means方法的非均匀性设计优于EEUC。
图2是EEUC和UCRPK-means 2种方法网络存活节点个数和运转轮数之间的关系。从图中可知UCRPK-means显著延长了第一个节点的死亡时间。从第一个节点死亡到系统无法正常工作之间的跨度能够反应网络能耗的均衡性。EEUC和UCRPK-means方法的跨度分别为1300轮和1600轮，和EEUC方法比较，UCRPK-means方法的跨度提高了23.1％。UCRPK-means协议能够使网络运行2300轮，是EEUC方法的1.2倍。由此可知UCRPK-means协议能够更好的均衡网络能耗，延长网络的生命周期。
图3是EEUC和UCRPK-means2种方法系统能耗比较。可以看出根据UCRPK-means协议在系统运转时网络消耗的能量总是低于EEUC。EEUC协议在系统运转1900次左右便无法继续工作，能量消耗达到总能量的95％。同等能量消耗下，UCRPK-means协议可以使网络运转2300次左右。可以看出，UCRPK-means协议可以有效的延长网络生命周期。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1:计算最优聚类簇首数目Kopt：
Figure FDA0003895725450000011
其中，N为传感器节点的总数量，εfs为自由空间模型放大器能耗，εmp为多路衰减放大器能耗，M1、M2分别为环境区域的长和宽，dtoBS为所有传感器节点到基站的平均距离；
步骤2：计算K均值算法的初始质心：
计算每个传感器节点到基站的距离，并按照升序排列，统计距基站距离小于d0的节点个数count，其中
Figure FDA0003895725450000012
为常数，计算
Figure FDA0003895725450000013
把根据距基站距离升序排列的N个节点划分为Kopt个长度为scale(i)的非均匀集合，其中i＝1,2,…，Kopt；scale(i)＝count+r×(i-1)；在每个集合中，取中间节点为初始质心μk；
步骤3：将每个传感器节点根据欧氏距离分配给距离最近的质心μk；
步骤4：计算每个簇新的质心位置；
Figure FDA0003895725450000014
其中，X、Y分别表示该簇质心的横纵坐标；xi、yi分别表示传感器节点的横纵坐标；S为其簇内成员个数；
步骤5：重复步骤3和步骤4，直至平方误差函数取得最小值；
步骤6，簇结构形成后，各簇内节点按照到对应簇内质心的距离编号，距离越近编号越小；
步骤7，选择距离各簇内质心最近的节点为初始簇首，即编号最小的节点，发送广播消息通知簇内节点当前簇首的节点编号；
步骤8，计算网络运行过程中每一轮簇首节点发送数据信息到基站消耗的能量，包括：
通过中间节点以多跳方式发送数据的簇首每轮消耗的能量EICH为：
Figure FDA0003895725450000021
直接与基站以单跳方式发送数据的簇首每轮消耗的能量ECH为：
Figure FDA0003895725450000022
其中l为传输的信息数据包长度；Eelec为无线收发电路能耗；EDA为数据融合能耗；nc为簇内成员数目；ni为此簇首作为中间节点的总跳数；dtoICH为簇首到中间节点的距离；Kc为和基站以多跳方式传输数据的簇首总数；dCHtoBS为簇首到基站的距离；
步骤9，计算簇首能量阈值，簇首能量阈值Ethreshold为：
Figure FDA0003895725450000023
步骤10，判断当前簇首在下一轮是否继续担任簇首。
2.根据权利要求1所述的基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法，其特征是，所述步骤5：平方误差函数为
Figure FDA0003895725450000024
当误差函数取得最小值时，迭代终止，传感器节点样本集D＝{x1,x2,…,xN},聚类为
Figure FDA0003895725450000025
其中，xn为第n个传感器节点；Ck表示第k个聚类簇集合；
Figure FDA0003895725450000031
表示节点n被归类到簇k时为1，否则为0。
3.根据权利要求1所述的基于改进K均值的矿井无线传感网非均匀分簇路由方法，其特征是，所述步骤10，如果当前簇首的剩余能量Eresidual大于簇首能量阈值Ethreshold，此节点仍为簇首节点，否则，检查簇内所有成员节点的编号，选择大于当前簇首节点编号且编号最小的节点作为新的簇首；新的簇首节点向簇内成员节点发送广播信息，通知簇内成员节点下一轮的簇首节点编号。
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