CN111031506A - 一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，该方法先计算出网络中最佳簇头节点的数目
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，接着用基于位置和能量的簇头节点选择公式选出这
Figure 651632DEST_PATH_IMAGE001
个簇头节点，然后，用Voronoi图将区域内的传感器节点划分为
Figure 46841DEST_PATH_IMAGE001
个簇，被区域包含在内的节点自动成为簇的成员节点。一个阶段运行完成后，在当前的每个Voronoi图单元中选出下一轮簇头节点来构建新的Voronoi图区域。本发明提出的方法在选择簇头节点时考虑了位置和剩余能量，使得簇头节点分布更均衡，有助于延长网络的生命周期。

Description

一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法
技术领域
本发明涉及一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，具体的说是一种以Voronoi图在无线传感网中进行区域处理为基础，对无线传感网中的节点进行分簇的算法，属于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)技术领域。
背景技术
无线传感器网络就是由部署在检测区域内大量的廉价微型智能传感器节点组成，通过无线通信的方式连接各个传感器节点，以自组织的形式构成的网络，其目的在于协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中的感知信息，并发送给观察者。设计出高效节能的路由协议是需要重点考虑的一个问题。
根据网络逻辑结构的不同，无线传感器网络的路由协议一般可分为两种：平面路由协议、分层路由协议。平面路由协议中传感器节点地位平等，节点之间相互协作完成数据的检测和处理。虽然平面路由简单，但是数据收集难度大，如果采用直接传送算法与基站通信，会加速距基站较远的节点的死亡速度，导致网络的能耗不均匀，大大缩短网络生存周期，并不适用于构建规模较大的网络。而且平面路由缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢，已经不能适应现在对信息敏感程度高的无线传感器网络的发展，但分层路由协议可以很好的解决这些问题。与平面路由协议相比较，分层路由协议的网络拓扑结构更便于监管，可扩展性更强，节省网络能量消耗，更适用于无线传感器网络的应用需求。在分层路由协议中，网络中会形成许多互不干扰的簇，每个簇结构都是由一个簇头节点和多个成员节点构成，这些节点在网络中执行不同的功能。簇头节点的主要功能是负责收集各个普通节点感应到的数据信息，同时进行数据融合来降低数据信息的冗余，融合后将数据信息交付到前来接收的sink节点或直接交付给基站。让簇头节点轮流分担数据传输的任务，很好的减少与基站通信的节点，有效地均衡整个网络的能量消耗，提高了网络的生存时间。分簇可以均衡各个传感器节点的能量消耗，推迟节点的死亡时间，让网络寿命更长。
然而，传统的分层路由协议，例如LEACH算法，在分簇时可能会出现簇头节点相对集中的问题。
经检索发现，申请号为201110430184的中国专利公开了一种无线传感器网络静态分簇算法，该算法在最优簇头节点计算过程中，簇头节点直接将数据传送给基站，涉及远距离情况下的多径衰弱信道模型，并且簇头节点向基站长距离发送数据带来的能量消耗较大，簇头节点寿命较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，由于Voronoi图具有最近性、邻接性等众多性质和较完善的理论体系，可以使簇头节点分布更加均匀。
本发明提供一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、基站根据最优簇头节点数机制确定全网中簇头数Kopt；
步骤2、每个节点产生一个在区间(0，1)内的均匀随机数δ(n)作为簇头节点的一个评判标准参数，并将该评判标准参数与能量距离代价值TED(n)比较，如果满足δ(n)＜TED(n)，则该节点被选为簇头节点；
步骤3、基站根据选出的簇头节点进行Voronoi分簇，建立区域内成员节点与簇头的隶属关系，并将区域内成员节点的列表发送给隶属的簇头节点，簇头再把自己的ID发送给每个簇内成员；
步骤4、成员节点向簇头节点发送入簇消息，簇头节点根据收到的消息进行时隙分配并回传给成员节点，以此来完成簇的建立，成员节点将收集到的数据传输给簇头节点，簇头节点处理完数据后，向本簇成员节点发出下一轮簇头节点选择信号；
步骤5、成员节点在收到簇头节点选择信号后，计算出自己的另一个簇头节点评判标准参数CHprob，并传递给当前簇头节点，当前簇头节点根据收到的数据找出评判标准参数的最大值max_CHprob并选出下一轮簇头节点，如果CHprob＝max_CHprob，那么该成员节点成为下一轮的簇头节点，否则成为普通节点返回步骤3等待下一轮分簇；
步骤6、当前簇头节点的数据由移动sink收集，然后由移动sink与基站进行通信，把数据传递给基站，结束一轮分簇操作；
步骤7、基站根据传感器节点的最低活动能量值Va(Va为传感器节点最大能量Emax的5％，即Va＝5％×Emax)判断所有簇头节点的当前能量是否能完成下一轮的组网通信，其中在所有簇头节点中，把剩余能量最低的单个簇头节点的能量定义为Vmin，如果Vmin大于或等于Va(即Vmin≥Va)则执行步骤3，如果Vmin小于Va则执行步骤8；
步骤8、基站计算出当前选出所有簇头节点的平均能量
Figure BDA0002319476610000031
如果
Figure BDA0002319476610000032
大于或等于Va并且簇头节点中剩余能量值大于或等于Va的簇头节点的个数Kres大于或等于
Figure BDA0002319476610000033
(即
Figure BDA0002319476610000034
且
Figure BDA0002319476610000035
)，则执行步骤2，否则结束网络构建。
本发明用于解决传统分簇算法产生的簇头节点分布不均匀而导致网络生命周期下降的问题。本发明的算法先计算出网络中最佳簇头节点的数目Kopt，接着用基于位置和能量的簇头节点选择公式选出这Kopt个簇头节点，然后，用Voronoi图将区域内的传感器节点划分为Kopt个簇，被区域包含在内的节点自动成为簇的成员节点。一个阶段运行完成后，在当前的每个Voronoi图单元中选出下一轮簇头节点来构建新的Voronoi图区域。本发明提出的方法在选择簇头节点时考虑了位置和剩余能量，使得簇头节点分布更均衡，有助于延长网络的生命周期。
本发明具体的技术方案如下：
进一步的，所述步骤1中，根据下式计算全网中簇头数Kopt，
Figure BDA0002319476610000041
其中，N表示整个网络中传感器个数，M表示无线传感器网络检测的区域边长为M(假设区域为正方形)，Eelec为每比特数据在接收或发射电路中消耗的能量，εfs为自由空间传输的通信耗能参数，dtoSink表示簇头节点与移动sink之间的距离。
进一步的，所述步骤2中，根据下式计算能量距离代价值TED(n)，
Figure BDA0002319476610000042
Figure BDA0002319476610000043
其中，r是当前网络经过的轮数，E(n)表示节点n的剩余能量，
Figure BDA0002319476610000051
表示整个网络中所有节点的平均能量，G表示本轮循环中未担任过簇头节点的节点集合，d(a，b)表示相邻簇头节点之间的距离范围，R表示传感器节点的通信半径。
进一步的，所述步骤5中，根据下式计算簇头节点评判标准参数CHprob，
Figure BDA0002319476610000052
其中，Eres表示成员节点的剩余能量，ECH表示当前簇头节点的剩余能量，d(i，j)表示成员节点i与当前簇头节点j的距离；max_CHprob表示当前Voronoi单元内所有成员节点的CHprob的最大值。
进一步的，所述步骤3中将簇头节点进行Voronoi分簇的方法为基站作出两两临近的簇头节点的垂直平分线，所有平分线组成的几何图形就是Voronoi图，一个Voronoi图单元区域对应一个簇，被Voronoi图单元区域包围的节点成为该簇的成员节点。
进一步的，所述步骤8中，基站计算出当前选出所有簇头节点的平均能量
Figure BDA0002319476610000053
其公式为
Figure BDA0002319476610000054
其中，
Figure BDA0002319476610000055
为传入基站的单个簇头节点的剩余能量，i表示簇头节点的编号且i＝1，2，...Kopt。
上述步骤2中，δ(n)值是一个运用均匀随机数产生的过程，其产生的随机数在0--1之间呈均匀分布。例如：
Figure BDA0002319476610000056
RAND_MAX是伪随机数生成函数rand所能返回的最大数值。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本发明先用最优簇头节点选举机制计算出网络中最佳簇头节点的数目Kopt，这样可以避免因簇头节点选择过多导致的分簇数目太多，簇头节点覆盖范围大量冗余的情况出现；接着用考虑了距离和剩余能量的簇头节点选举公式选出这Kopt个簇头节点，避免簇头节点相对集中，使得簇与簇之间可以保持一定距离，让网络更加均衡；同时，传感器节点不必收集过多冗余的数据，这样可以降低传感器节点的能耗并延长网络寿命。
(2)一轮分簇运行完成后，在当前的每个Voronoi图单元中，簇头节点根据考虑了成员节点剩余能量值和成员节点与自己之间距离的评判标准参数CHprob，选出下一轮簇头节点，这样可以使得下一轮分簇的结果与当前分簇结果不会产生很大差距，保持网络的均衡性，继而延长网络的生命周期。
附图说明
图1为本发明中六个定点划分成的Voronoi图。
图2为本发明中无线传感器网络节点通信模型图。
图3为本发明汇总分簇效果图。
图4为本发明分簇算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。
实施例1
基站进行Voronoi图分簇的原理如下：平面中假设有3个点，给定任意点p1，对于其他任意点p2，求到p1的距离比到p2的距离更近的点的几何。
作p1和p2连线的垂直平分线，在平分线任意一侧的任意点p3，当p3在p1一侧，则距离d(p3，p1)＜d(p3，p2)，即p1离p3更近；当p3在p2一侧，则距离d(p3，p2)＜d(p3，p1)，即p3离p2更近。
现有一集合P{P1，P2，P3，P4，P5，P6}，此时的划分过程是：把所有点连接成凸或凹多边形，若是凸多边形则在凸多边形内任意找一点，如果是凹多边形，则在凹的方向找一点补齐使之成为凸多边形，连接所有点成为不相交的三角形，作三角形各边的垂直平分线，所有平分线组成的几何图形就是一个简单的Voronoi图，如图1所示。根据划分规则可以计算得到，在一个Voronoi图小区域内任意一点，它距离这个区域的中心点的距离比距离其它区域内中心点的距离都近。
研究表明，簇头节点占活跃节点数量的比例在7％～12％比较合适，首轮由基站计算出最优簇头数并根据簇头节点选举公式选出Kopt个簇头节点，然后基站用Voronoi分簇，并广播簇头节点和区域划分结果，其余节点根据Voronoi的性质可以知道自己属于哪个簇。首轮分簇数据收集完成后，在每个Voronoi单元内选出簇头节点，成为下轮簇头节点的节点，把数据发送给当前簇头节点。移动sink收集所有簇头节点数据并把数据交给基站，基站根据传来的簇头节点的数据得出新的簇头节点，由基站再次进行Voronoi划分。
为了便于描述，假设一个无线传感器网络的检测区域为边长M的正方形区域，有随机部署了N个传感器节点。每个传感器节点都有唯一的ID，基站位于检测区域外。基站具有足够的能量和所有传感器节点通信，并且知道每个传感器节点的位置。传感器节点的通信模型由图2表示。
本实施例的一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法方法的过程如下：
步骤1、基站根据最优簇头节点数机制确定全网中簇头数
Figure BDA0002319476610000081
步骤2、每个节点产生一个在(0，1)的随机值δ(n)作为簇头节点的一个评判标准参数，并将该评判标准参数与能量距离代价值
Figure BDA0002319476610000082
比较，如果满足δ(n)＜TED(n)，则被选为簇头节点。
步骤3、基站根据选出的簇头节点进行Voronoi分簇，建立区域内成员节点与簇头的隶属关系，并将区域内成员节点的列表发送给隶属的簇头节点，列表中包含了两种信息：IDhead和IDmember。簇头再把自己的ID发送给每个簇内成员。将簇头节点进行Voronoi分簇的方法为基站作出两两临近的簇头节点的垂直平分线，所有平分线组成的几何图形就是Voronoi图，一个Voronoi图单元区域对应一个簇，被Voronoi图单元区域包围的节点成为该簇的成员节点。
步骤4、成员节点向簇头节点发送加入簇消息，簇头节点根据收到的消息进行TDMA时隙分配并回传给成员节点，以此来完成簇的建立。成员节点将收集到的数据传输给簇头节点，簇头节点在处理完数据之后，向本簇成员节点发出下一轮簇头节点选择信号。
步骤5、在收到簇头节点选择信号后，成员节点算出自己的另一个簇头节点评判标准参数
Figure BDA0002319476610000083
并传递给当前簇头节点。当前簇头节点根据接收到的数据选出CHprob值最大的成员节点作为下一轮的簇头节点。即当前簇头节点根据收到的数据找出评判标准参数的最大值max_CHprob，如果CHprob＝max_CHprob，那么该成员节点成为下一轮的簇头节点，否则成为普通节点。
步骤6、簇头节点的数据由移动sink收集，然后由移动sink和基站进行通信，把数据传递给基站，结束一轮分簇操作。
步骤7、基站根据传感器节点的最低活动能量值Va判断所有簇头节点的当前能量是否能完成下一轮的组网通信。在所有簇头节点中，簇头节点的最低能量值为Vmin(即剩余能量最低的单个簇头节点的能量定义为Vmin)，如果Vmin大于或等于Va则执行步骤3，如果小于Va执行步骤8。Va为传感器节点最大能量Emax的5％即(Va＝5％Emax)。
步骤8、基站计算出当前选出所有簇头节点的平均能量
Figure BDA0002319476610000091
如果
Figure BDA0002319476610000092
大于等于Va并且簇头节点中剩余能量值大于等于Va的簇头节点的个数Kres大于等于
Figure BDA0002319476610000093
则执行步骤2，否则结束网络构建。当前选出所有簇头节点的平均能量
Figure BDA0002319476610000094
其公式为
Figure BDA0002319476610000095
其中
Figure BDA0002319476610000096
为传入基站的单个簇头节点的剩余能量，i表示簇头节点的编号i＝1，2，...Kopt。
在最优簇头节点计算的过程中，本发明没有让簇头节点直接把数据传送给基站，而是通过移动sink进行收集。因为簇头节点和移动sink是近距离通信，所以在计算能耗时只需要使用在近距离情况下自由空间信道模型εfs,不涉及远距离情况下的多径衰弱信道模型εmp。避免了簇头节点向基站长距离发送数据带来的能量消耗较大的问题，延长了簇头节点的寿命。并用Voronoi图进行分簇，简化了成簇过程。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、基站根据最优簇头节点数机制确定全网中簇头数Kopt；
步骤2、每个节点产生一个在区间(0，1)内的均匀随机数δ(n)作为簇头节点的一个评判标准参数，并将该评判标准参数与能量距离代价值TED(n)比较，如果满足δ(n)＜TED(n)，则该节点被选为簇头节点；
步骤3、基站根据选出的簇头节点进行Voronoi分簇，建立区域内成员节点与簇头的隶属关系，并将区域内成员节点的列表发送给隶属的簇头节点，簇头再把自己的ID发送给每个簇内成员；
步骤4、成员节点向簇头节点发送入簇消息，簇头节点根据收到的消息进行时隙分配并回传给成员节点，以此来完成簇的建立，成员节点将收集到的数据传输给簇头节点，簇头节点处理完数据后，向本簇成员节点发出下一轮簇头节点选择信号；
步骤5、成员节点在收到簇头节点选择信号后，计算出自己的另一个簇头节点评判标准参数CHprob，并传递给当前簇头节点，当前簇头节点根据收到的数据找出评判标准参数的最大值max_CHprob，如果CHprob＝max_CHprob，那么该成员节点成为下一轮的簇头节点，否则成为普通节点；
步骤6、簇头节点的数据由移动sink收集，然后由移动sink与基站进行通信，把数据传递给基站，结束一轮分簇操作；
步骤7、基站根据传感器节点的最低活动能量值Va判断所有簇头节点的当前能量是否能完成下一轮的组网通信，其中在所有簇头节点中，把剩余能量最低的单个簇头节点的能量定义为Vmin，如果Vmin大于或等于Va则执行步骤3，如果Vmin小于Va则执行步骤8；
步骤8、基站计算出当前选出所有簇头节点的平均能量
Figure FDA0002319476600000021
如果
Figure FDA0002319476600000022
大于或等于Va并且簇头节点中剩余能量值大于或等于Va的簇头节点的个数Kres大于或等于
Figure FDA0002319476600000023
则执行步骤2，否则结束网络构建。
2.根据权利要求1所述一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，其特征在于，所述步骤1中，根据下式计算全网中簇头数Kopt，
Figure FDA0002319476600000024
其中，N表示整个网络中传感器个数，M表示无线传感器网络检测的区域边长，Eelec为每比特数据在接收或发射电路中消耗的能量，εfs为自由空间传输的通信耗能参数，dtoSink表示簇头节点与移动sink之间的距离。
3.根据权利要求2所述一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，其特征在于，所述步骤2中，根据下式计算能量距离代价值TED(n)，
Figure FDA0002319476600000025
Figure FDA0002319476600000026
其中，r是当前网络经过的轮数，E(n)表示节点n的剩余能量，
Figure FDA0002319476600000027
表示整个网络中所有节点的平均能量，G表示本轮循环中未担任过簇头节点的节点集合，d(a，b)表示相邻簇头节点之间的距离范围，Rs表示传感器节点的通信半径。
4.根据权利要求3所述一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，其特征在于，所述步骤5中，根据下式计算簇头节点评判标准参数CHprob，
Figure FDA0002319476600000031
其中，Eres表示成员节点的剩余能量，ECH表示当前簇头节点的剩余能量，d(i，j)表示成员节点i与当前簇头节点j的距离；max_CHprob表示当前Voronoi单元内所有成员节点的CHprob的最大值。
5.根据权利要求4所述一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，其特征在于，所述步骤3中将簇头节点进行Voronoi分簇的方法为基站作出两两临近的簇头节点的垂直平分线，所有平分线组成的几何图形就是Voronoi图，一个Voronoi图单元区域对应一个簇，被Voronoi图单元区域包围的节点成为该簇的成员节点。
6.根据权利要求5所述一种基于Voronoi图域处理的无线传感网分簇算法，其特征在于，所述步骤8中，基站计算出当前选出所有簇头节点的平均能量
Figure FDA0002319476600000032
其公式为
Figure FDA0002319476600000033
其中
Figure FDA0002319476600000034
为传入基站的单个簇头节点的剩余能量，i表示簇头节点的编号i＝1，2，...Kopt。
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