CN108521633A - 基于k均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法。所述方法在长距离带状区域环境下，通过获取传感器节点地理位置信息，采用K均值聚类算法形成多个均匀分簇，再选举离质心最近的节点为初始簇首；然后采用基于阈值的动态簇首轮换方法，最后在融合数据传输阶段根据簇首与基站、簇首与簇首之间距离动态选择单跳与多跳的混合传输方式传输数据；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。本发明方法和传统的分层路由协议LEACH相比，能够更加有效均衡网络负载，延长整个网络的生命周期，在同等条件下，优于传统的低功耗自适应集簇分层型协议方法。

Description

基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法
技术领域
本发明属于无线传感网领域，尤其是涉及基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法。
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，所以特别适合应用于矿井井下的综合监测。将WSN引入煤矿安全监测系统，利用其自组织和无线通信的特点，可有效地实现对那些有线监控系统无法到达的安全生产盲区的监测及灾后的数据采集，是对现有监控系统很好的补充，将极大提高煤矿安全生产水平。考虑到矿井下无线传感网的网络拓扑结构呈长距离带状，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方法，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。基于分层的路由方法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。
分层路由方法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[HeinzelmanW,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(LowEnergyAdaptive ClusteringHierarchy)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[El-Hoiydi A,Decotignie JD.WiseMAC:An ultra low power MAC protocol for multi-hop wireless sensornetworks[M].Algorithmic Aspects of Wireless Sensor Networks,2004:18-31.]已经证实在无线传感器网络中传输数据时，使用的多跳技术比传统的发送端和接收端的直接通信更加节能和实用。
发明内容
本发明针对矿井环境呈长距离带状的特殊性以及其现有技术的不足，提出基于K均值的无线传感网分簇路由方法(Clustering Routing Protocol based on K-means,CRPK-means)。本发明方法不再预先设定固定的簇首节点，而是从实际应用角度出发，根据节点的剩余能量和距质心的距离，动态地更换簇首节点，在融合数据传输阶段根据簇首与基站、簇首与簇首之间距离动态选择单跳与多跳的混合传输方式传输数据，使WSN通信资源得到合理利用并且延长了网络的生命周期。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法，其特征在于，其步骤如下：步骤A，计算最优聚类簇首数目Kopt：
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B，根据K均值算法，将传感器节点样本集D＝{x1,x2,…,xN}聚类为的最小化平方误差为：
其中，表示节点n被归类到簇k时为1，否则为0；
Kopt为最优聚类簇首数目；
N为传感器节点的总数量；
xn为第n个传感器节点；
μk为聚类质心；
步骤C，根据当rnk满足时，目标平方误差函数J取得最小值，迭代终止；产生Kopt个初始化种子质心；选择距离各种子质心最近的传感器节点为初始簇首节点，剩余节点根据欧氏距离选择最近的簇首代表的簇加入，簇结构形成；步骤D，计算每个簇的质心位置为：
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E，计算各个簇内成员节点到簇质心的距离并升序排列，依次给成员节点编号，距离越近编号越小；
步骤F，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：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：
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：
其中，为常数；
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G，计算簇首能量阈值Ethreshold为：
步骤H，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，通知簇内成员节点下一轮的簇首节点编号。
本发明的有益效果是：本发明使用新的基于K均值的方法对随机分布的无线传感网进行均匀分簇，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：通过获取传感器节点地理位置信息，采用K均值聚类算法形成Kopt个均匀分簇，再选举离质心最近的节点为初始簇首。然后采用基于阈值的动态簇首轮换方法，最后在融合数据传输阶段根据簇首与基站、簇首与簇首之间距离动态选择单跳与多跳的混合传输方式传输数据。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。和传统的分层路由协议LEACH相比，基于K均值的矿井环境无线传感网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性能优于传统的低功耗自适应集簇分层型协议方法。
附图说明
图1本发明基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法(CRPK-means)与低功耗自适应集簇分层型协议(LEACH)分别在不同传感器分布下的系统能耗比较图。
图2本发明基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法(CRPK-means)与低功耗自适应集簇分层型协议(LEACH)分别在不同传感器分布下的的存活节点个数比较图。
具体实施方式
下面结合仿真结果，对本发明提出的基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法进行详细说明：
基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法，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，根据K均值算法所得簇划分C＝{C1,C2,…CK}的最小化平方误差为：
其中，表示节点n被归类到簇k时为1，否则为0；
N为传感器节点的总数量；
xn为第n个传感器节点；
μk为每个簇中的样本均值；
式中K为聚类的个数，其最优化聚类簇首数目为：
其中，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分别为该区域的长和宽；
dtoBS为所有传感器节点到基站的平均距离；
当rnk满足时，目标平方误差函数J取得最小值，迭代终止；产生K个初始化种子质心和其聚类成员；选择距离各质心最近的传感器节点为初始簇首节点，剩余节点根据欧氏距离选择最近的簇首加入；
计算每个簇的质心位置为：
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；
计算各个簇内成员节点到质心的距离并升序排列，依次给成员节点编号，距离越近编号越小；
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：
其中，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：
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：
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：
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：
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：
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，本发明在同样的条件下共进行了三次实验。由于低功耗自适应集簇分层型协议中初始簇首随机产生且数目不确定，得到的分簇结果出现簇首聚集、簇内成员个数相差较大的情况，分簇非常不均匀。而本发明基于K均值的分簇路由方法得到各个簇的簇首之间距离和簇内成员个数均相差不大，实现均匀分簇。
图1是基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法与低功耗自适应集簇分层型协议的系统能耗比较。横坐标表示系统运转次数，纵坐标表示在网络运转中传感器节点消耗的总能量。可以看出根据CRPK-means方法得到的方案在系统运转时网络消耗的能量总是低于LEACH协议得到的方案。LEACH协议在系统运转600次左右便无法继续工作，能量消耗达到总能量的90％。同等能量消耗下，CRPK-means协议可以使网络运转1800次左右。由此可见，基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法可以非常有效的延长网络生命周期。
图2是基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法与低功耗自适应集簇分层型协议的存活节点个数比较。横坐标表示系统运转次数，纵坐标表示在网络运转中存活的节点个数。可以看出LEACH协议得到的方案在100次左右网络中出现第一个死亡节点，时间为整个网络生命周期的12.5％；而CRPK-means方法得到的方案第一个死亡时间为整个网络生命周期的20％，从而说明此方案能有效均衡网络中传感器节点的能耗，因此采用CRPK-means方法的网络生命周期大于LEACH协议得到的方案。

Claims (1)

1.基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法，其特征在于，包含步骤如下：
步骤A，计算最优聚类簇首数目Kopt：
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B，根据K均值算法，将传感器节点样本集D＝{x1,x2,…,xN}聚类为的最小化平方误差函数为：
其中，表示节点n被归类到簇k时为1，否则为0；
Kopt为最优聚类簇首数目；
N为传感器节点的总数量；
xn为第n个传感器节点；
μk为每个簇中的样本均值；
步骤C，根据当rnk满足时，平方误差函数J取得最小值，迭代终止；
产生Kopt个初始化种子质心和其聚类成员；选择距离各质心最近的传感器节点为初始簇首节点，剩余节点根据欧氏距离选择最近的簇首加入；
步骤D，计算每个簇的质心位置为：
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E，计算各个簇内成员节点到质心的距离并升序排列，依次给成员节点编号，距离越近编号越小；
步骤F，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：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：
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：
其中，为常数；
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G，计算簇首能量阈值Ethreshold为：
步骤H，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，通知簇内成员节点下一轮的簇首节点编号。
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