CN115052324A - 一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法，包括：步骤S1，根据所有节点的地理位置以及簇的数量K，通过k均值聚类算法对于所有的节点进行分簇，并得到所有簇的中心坐标；步骤S2，在簇内选择单一节点作为簇头，并确定该簇头节点至基站上行无线传输采用的调制方式；步骤S3，判断所有簇头采用的调制方式是否满足簇内成员节点数据汇聚后的传输速率要求，如果满足则执行步骤S5，否则执行步骤S4；步骤S4，增加簇的数量K＝K+1，转至步骤S1；步骤S5，根据已确定的分簇以及调制方式，簇成员节点和簇头节点进行数据传输。本发明可以改善无线传感器网络拓扑结构，克服簇头节点传输速率无法满足簇内成员节点并发汇聚转发的弊端，有效提高无线传感器网络的网络吞吐量。

Description

一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法。

背景技术

满足无线信道数据传输质量(即误码率)前提下，自适应调制是提高频谱利用率的有效方式，其基本思路是基于无线信道的实时的信道状态信息(即信噪比)自适应选择不同的调制方式。具体地，接收机估计当前的信道状态，并通过反馈链路把信道状态信息传送给发射机，发射机基于当前信道状态信息动态地调整发射参数，例如调制方式、发射功率、编码方式。

不同的调制方式具有不同的传输速率和不同的传输质量。通常来说，高阶的调制(例如64QAM)具有较高的传输速率，但是抗噪声干扰性能相对较差，即在信噪比低的情况下误码率较高，而低阶调制(例如QPSK)具有较低的传输速率和较强的抗噪声干扰性能。因此，自适应调制选择调制方式的准则是：在信噪比高的情况下，选择相对高阶调制以提高传输速率；在信噪比低的情况下，选择相对低阶调制以满足误码率的要求。

无线信道的质量是动态时变的，如何根据动态时变的无线信道的质量，动态地选择物理信道的编码方式和调制方式，是自适应调制编码的关键。当信道条件较差时，选择较小的调制方式与编码速率；当信道条件较好时，选择较大的调制方式，从而最大化了传输速率。当编码技术和调试方式调制后，信道的质量也会得到相应的改善。

无线传感器网络通常来说包含了大量的传感器节点(简称节点)，用于环境监测、人体健康监测、智能家居、智能工厂、灾难管理监测等。每个节点可以通过无线链路发送数据至其他节点，也可以作为中继或者数据融合节点把数据转发至无线基站。无线基站收到节点数据后，可以本地处理该数据，或者作为网关把数据转发至远端的数据服务器。

无线传感器网络通常是动态的多跳(ad-hoc)网络，而拓扑管理是保证稳定、可靠、高效的网络结构的方法。分簇(clustering)是目前无线传感器网络拓扑管理的流行技术之一。分簇技术基于不同的准则，例如功耗优化、网络负载均衡等，把所有的节点划分为不同的组，每个组称之为簇。每个簇具有1个簇头(cluster heads)，簇头把簇内其他成员节点的数据汇聚后转发至基站。采用分簇技术，簇内成员节点无需把数据直接发送至无线基站，而所有成员节点直接发送至基站会带来不必要节点能量损耗、接入碰撞以及同频干扰等问题。

发明人发现，现有技术方案都侧重在自适应调制(编码)的性能改进，未涉及与无线传感器网络的分簇算法(k均值算法)进行结合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法，以克服无线传感器网络簇头节点数据传输速率受限，无法满足簇内成员节点并发数据汇聚后的转发问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法，包括：

步骤S1，根据所有节点的地理位置以及簇的数量K，通过k均值聚类算法对于所有的节点进行分簇，并得到所有簇的中心坐标；

步骤S2，在簇内选择单一节点作为簇头，并确定该簇头节点至基站上行无线传输采用的调制方式；

步骤S3，判断所有簇头采用的调制方式是否满足簇内成员节点数据汇聚后的传输速率要求，如果满足则执行步骤S5，否则执行步骤S4；

步骤S4，增加簇的数量K＝K+1，转至步骤S1；

步骤S5，根据已确定的分簇以及调制方式，簇成员节点和簇头节点进行数据传输。

进一步地，所述步骤S1中，k均值聚类算法的输入为所有节点的地理位置坐标{x₁,x₂,…,x_N}和簇的总数K，输出为簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K的组成以及对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K，N为节点数量。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

步骤S11，在无线基站的覆盖区域内，随机选择K个坐标作为簇中心二维坐标u₁,u₂,…,u_K的初始值；

步骤S12，遍历N个节点，对于节点i＝1,2,…,N，找到距离该节点最近的簇中心坐标u_k，把该节点归属于簇Θ_k，节点i满足||x_i-u_k||²≤||x_i-u_n||²,

步骤S13，遍历K个簇，对于簇k＝1,2,…,K，簇中心坐标u_k更新为该簇内所有节点坐标的平均值；

更新完所有簇中心坐标后，转至步骤S14；

步骤S14，判断算法是否已经收敛，如果已经收敛，则退出算法，转至步骤S15；如果算法未收敛，则继续迭代，转至步骤S12；

步骤S15，输出簇集合簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K以及对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K。

进一步地，所述步骤S14通过前一次迭代计算得到的簇中心坐标和当前迭代计算得到的簇中心坐标的偏差范围来判断算法是否已经收敛，如果该偏差范围低于设定的门限值，则判定算法已经收敛。

进一步地，所述步骤S13中，簇中心坐标u_k更新为：

其中，|Θ_k|表示簇内节点的总数，包括簇头和簇成员节点。

进一步地，在得到分簇集合Θ₁,Θ₂,…Θ_K和对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K后，所述步骤S2从每个簇的成员节点中选取一个作为簇头节点；成员节点选取为簇头节点满足以下两个条件：

第一条件：该成员节点距离簇中心坐标的距离小于门限r_max，即||x_i-u_k||<r_k,x_i∈Θ_k；

第二条件：基于该成员节点至基站的信道状态，选取的自适应调制方式，传输速率满足簇内成员节点并发汇聚数据传输。

进一步地，令簇成员节点至簇头链路采用固定的调制方式，传输速率为γ_FM；簇头至基站采用自适应调制方式，根据信道状态更新后的调制方式，传输速率为γ_AM；则第二条件需要满足：

γ_AM≥α_k·|Θ_k|·γ_FM

其中，|Θ_k|表示簇内节点的总数，α_k≤1是簇内成员节点的并发传输率。

进一步地，簇头选择的具体流程包括：

步骤S21，初始化k＝1，转至步骤S22；

步骤S22，初始化簇k的簇头候选区域半径r_k＝r_min，转至步骤S23；

步骤S23，基于簇中心坐标u_k，设置半径为r_k的圆形区域为候选区域，将落在候选区域内的节点作为候选节点，即候选节点满足第一条件，若不存在候选节点转至步骤S24；基于候选节点至基站的无线链路状况确定自适应调制方式，选取满足簇内成员节点并发传输的候选节点，转至步骤S24；

步骤S24，如果存在某一候选节点满足第二条件，则将该候选节点设置为簇头节点，然后转至步骤S25；如果不存在候选节点满足第二条件，转至步骤S26；

步骤S25，所有簇已完成簇头选择，即k等于簇的数量K，转至步骤S27；否则，对下一个簇遍历，k＝k+1，转至步骤S22；

步骤S26，扩大候选区域，r_k＝r_k+Δr，如果r_k>r_max则转至步骤S28，否则转至步骤S23；Δr为候选区域半径的递增量；

步骤S27，成功结束；

步骤S28，失败结束。

进一步地，簇中心坐标是利用簇内所有终端坐标的平均值计算得到的。

进一步地，r_max选取为簇半径的10％-20％。

实施本发明具有如下有益效果：无线传感器簇头节点采用自适应调制编码，基于k均值聚类算法进行分类，可以改善无线传感器网络拓扑结构，克服簇头节点传输速率无法满足簇内成员节点并发汇聚转发的弊端，从而有效提高无线传感器网络的网络吞吐量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中无线传感器网络分簇示意图。

图2为本发明实施例中簇成员至簇头节点无线传输系统架构示意图。

图3为本发明实施例中簇头节点至基站无线传输系统架构示意图。

图4本发明实施例一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法的流程示意图。

图5为本发明实施例中k均值聚类算法分簇流程示意图。

图6为本发明实施例中候选簇头节点与候选区域示意图。

图7为本发明实施例中簇头选择流程示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

本发明考虑典型的无线传感器应用场景，无线基站通过无线链路采集分布在不同地理位置的传感器数据。

在单个无线基站的覆盖地理范围内，分布N个无线传感器节点，所有节点的地理位置{x₁,x₂,…,x_N}是已知的，第i(1≤i≤N)个节点的地理坐标为x_i。

对于这N个无线传感器节点分为K个簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K，其中Θ₁,Θ₂,…Θ_K是集合{x₁,x₂,…,x_N}的不相交子集。如果节点i属于簇k，则x_i∈Θ_k。

不同的簇之间不存在重叠的节点，且所有簇的节点数总和为N，即满足(其中Φ为空集)：

如图1所示，每个簇具有单一簇头节点，簇内成员节点把数据通过无线链路发送至对对应的簇头节点，簇头节点把簇内其他成员节点的数据汇聚后通过无线链路转发至基站。

簇成员节点与簇头节点的无线链路采用固定的调制方式，如QPSK、PSK、C4FM等，以满足单一节点数据传输的速率和可靠性要求。如图2所示，在簇成员节点发射机侧和簇头节点接收机侧，该固定的调制方式都是已知的。根据该调制方式，在发射机进行调制并发送，在接收机接收信号，根据参考信号进行信道估计后，进行相对应的解调得到比特数据流。

再如图3所示，簇头节点至无线基站的无线链路采用自适应调制，例如在多种调制方式中根据簇成员信息和当前无线信道信息进行选择。通常来说可以选择的调制方式有BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM等。

请参照图4所示，本发明实施例提供一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法，包括：

步骤S1，根据所有节点的地理位置以及簇的数量K，通过k均值聚类算法对于所有的节点进行分簇，并得到所有簇的中心坐标；

步骤S2，在簇内选择单一节点作为簇头，并确定该簇头节点至基站上行无线传输采用的调制方式；

步骤S3，判断所有簇头采用的调制方式是否满足簇内成员节点数据汇聚后的传输速率要求，如果满足则执行步骤S5，否则执行步骤S4；

步骤S4，增加簇的数量K＝K+1，转至步骤S1；

步骤S5，根据已确定的分簇以及调制方式，簇成员节点和簇头节点进行数据传输。

具体地，步骤S1中，通过k均值聚类算法对于所有的节点进行分簇，具体为：k均值聚类算法的输入为所有节点的地理位置坐标{x₁,x₂,…,x_N}和簇的总数K，输出为簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K的组成以及对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K，N为节点数量。需要指出的是，簇中心坐标不一定与某个终端的坐标重合，即簇中心坐标与单个终端坐标是相互独立的，但是簇中心坐标是利用簇内所有终端坐标的平均值计算得到的。

K均值聚类算法的计算步骤如下：

步骤S11，在无线基站的覆盖区域内，随机选择K个坐标作为簇中心二维坐标u₁,u₂,…,u_K的初始值；

步骤S12，遍历N个节点，对于节点i＝1,2,…,N，找到距离该节点最近的簇中心坐标u_k，把该节点归属于簇Θ_k，即对于节点i满足||x_i-u_k||²≤||x_i-u_n||²,

步骤S13，遍历K个簇，对于簇k＝1,2,…,K，簇中心坐标u_k更新为该簇内所有节点坐标的平均值，即

其中|Θ_k|表示簇内节点的总数，包括簇头和簇成员节点；

更新完所有簇中心坐标后，转至步骤S14；

步骤S14，判断算法是否已经收敛，如果算法已经收敛，则退出算法，转至步骤S15，输出簇集合簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K以及对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K；如果算法未收敛，则继续迭代，转至步骤S12；步骤S14可以通过前一次迭代计算得到的簇中心坐标和当前迭代计算得到的簇中心坐标的偏差范围来判断是否已经收敛，如果该偏差范围已经低于设定的门限值，则判定算法已经收敛；

步骤S15，输出簇集合簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K以及对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K。

步骤S2中，簇头节点的选择以及相应调制方式具体说明如下：

如图5所示，得到分簇集合Θ₁,Θ₂,…Θ_K和对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K后，从每个簇的成员节点中选取一个作为簇头节点。成员节点选取为簇头节点需要满足两个条件：

第一条件：该成员节点距离簇中心坐标的距离小于门限r_max，即||x_i-u_k||<r_k,x_i∈Θ_k。

r_max的选取可以根据簇的大小来判断，通常来说可以选取为簇(近似)半径的10％-20％。如果r_max选取过大，会导致簇头节点对簇内成员节点的覆盖不足，影响簇成员节点至簇头的数据传输质量。

第二条件：基于该成员节点至基站的信道状态，选取的自适应调制方式，传输速率可以满足簇内成员节点并发汇聚数据传输。令簇成员节点至簇头链路采用固定的调制方式，传输速率为γ_FM；簇头至基站采用自适应调制方式，根据信道状态更新后的调制方式，传输速率为γ_AM。则第二条件需要满足：

γ_AM≥α_k·|Θ_k|·γ_FM

其中，|Θ_k|表示簇内节点的总数，α_k≤1是簇内成员节点的并发传输率。

再如图6所示，步骤S2、S3中，簇头选择的具体流程如下：

步骤S21，初始化k＝1，转至步骤S22；

步骤S22，初始化簇k的簇头候选区域半径r_k＝r_min，转至步骤S23；

步骤S23，基于簇中心坐标，设置半径为r_k的圆形区域为候选区域，将落在候选区域内的节点作为候选节点，即候选节点满足第一条件，若不存在候选节点转至步骤S24；基于候选节点至基站的无线链路状况(信噪比值)确定自适应调制方式，选取满足簇内成员节点并发传输的候选节点，转至步骤S24；

步骤S24，如果存在某一候选节点满足第二条件，则将该候选节点设置为簇头节点，然后转至步骤S25；如果不存在候选节点满足第二条件，转至步骤S26；

步骤S25，所有簇已完成簇头选择，即k等于簇的数量K，转至步骤S27；否则，对下一个簇遍历，k＝k+1，转至步骤S22；

步骤S26，扩大候选区域，r_k＝r_k+Δr，如果r_k>r_max则转至步骤S28，否则转至步骤S23；

步骤S27，成功结束；

步骤S28，失败结束。可以考虑增加簇的数量，进行重新分簇，如前述步骤S4。

其中，步骤S26中的Δr为候选区域半径的递增量。

步骤S23基于候选节点至基站的无线链路状况(信噪比值)确定自适应调制方式。自适应调制技术就是根据信道的状态，选择不同的调制技术，一般来说在信噪比高的情况下选择高阶的调制方式。调制是把二进制比特映射成特定的符号的幅度和相位的过程，调制的阶数越高，单个符号传递的比特数就越多，在带宽一定的情况下，传输的总比特数量就越多。基于这样的特性，由于簇内节点数众多，导致簇头至基站的无线链路需要传输速率要远高于簇成员节点至簇头的链路，在簇头的筛选过程中，信噪比高的候选节点应当优先考虑，以满足第二条件。

通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：无线传感器簇头节点采用自适应调制编码，基于k均值聚类算法进行分类，可以改善无线传感器网络拓扑结构，克服簇头节点传输速率无法满足簇内成员节点并发汇聚转发的弊端，从而有效提高无线传感器网络的网络吞吐量。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于k均值聚类算法的自适应调制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，根据所有节点的地理位置以及簇的数量K，通过k均值聚类算法对于所有的节点进行分簇，并得到所有簇的中心坐标；

步骤S2，在簇内选择单一节点作为簇头，并确定该簇头节点至基站上行无线传输采用的调制方式；

步骤S3，判断所有簇头采用的调制方式是否满足簇内成员节点数据汇聚后的传输速率要求，如果满足则执行步骤S5，否则执行步骤S4；

步骤S4，增加簇的数量K＝K+1，转至步骤S1；

步骤S5，根据已确定的分簇以及调制方式，簇成员节点和簇头节点进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，k均值聚类算法的输入为所有节点的地理位置坐标{x₁,x₂,…,x_N}和簇的总数K，输出为簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K的组成以及对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K，N为节点数量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S11，在无线基站的覆盖区域内，随机选择K个坐标作为簇中心二维坐标u₁,u₂,…,u_K的初始值；

步骤S12，遍历N个节点，对于节点i＝1,2,…,N，找到距离该节点最近的簇中心坐标u_k，把该节点归属于簇Θ_k，节点i满足

步骤S13，遍历K个簇，对于簇k＝1,2,…,K，簇中心坐标u_k更新为该簇内所有节点坐标的平均值；

更新完所有簇中心坐标后，转至步骤S14；

步骤S14，判断算法是否已经收敛，如果已经收敛，则退出算法，转至步骤S15；如果算法未收敛，则继续迭代，转至步骤S12；

步骤S15，输出簇集合簇Θ₁,Θ₂,…Θ_K以及对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S14通过前一次迭代计算得到的簇中心坐标和当前迭代计算得到的簇中心坐标的偏差范围来判断算法是否已经收敛，如果该偏差范围低于设定的门限值，则判定算法已经收敛。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S13中，簇中心坐标u_k更新为：

其中，|Θ_k|表示簇内节点的总数，包括簇头和簇成员节点。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在得到分簇集合Θ₁,Θ₂,…Θ_K和对应的簇中心坐标u₁,u₂,…,u_K后，所述步骤S2从每个簇的成员节点中选取一个作为簇头节点；成员节点选取为簇头节点满足以下两个条件：

第一条件：该成员节点距离簇中心坐标的距离小于门限r_max，即||x_i-u_k||<r_k,x_i∈Θ_k；

第二条件：基于该成员节点至基站的信道状态，选取的自适应调制方式，传输速率满足簇内成员节点并发汇聚数据传输。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，令簇成员节点至簇头链路采用固定的调制方式，传输速率为γ_FM；簇头至基站采用自适应调制方式，根据信道状态更新后的调制方式，传输速率为γ_AM；则第二条件需要满足：

γ_AM≥α_k·|Θ_k|·γ_FM

其中，|Θ_k|表示簇内节点的总数，α_k≤1是簇内成员节点的并发传输率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，簇头选择的具体流程包括：

步骤S21，初始化k＝1，转至步骤S22；

步骤S22，初始化簇k的簇头候选区域半径r_k＝r_min，转至步骤S23；

步骤S23，基于簇中心坐标u_k，设置半径为r_k的圆形区域为候选区域，将落在候选区域内的节点作为候选节点，即候选节点满足第一条件，若不存在候选节点转至步骤S24；基于候选节点至基站的无线链路状况确定自适应调制方式，选取满足簇内成员节点并发传输的候选节点，转至步骤S24；

步骤S24，如果存在某一候选节点满足第二条件，则将该候选节点设置为簇头节点，然后转至步骤S25；如果不存在候选节点满足第二条件，转至步骤S26；

步骤S25，所有簇已完成簇头选择，即k等于簇的数量K，转至步骤S27；否则，对下一个簇遍历，k＝k+1，转至步骤S22；

步骤S26，扩大候选区域，r_k＝r_k+Δr，如果r_k>r_max则转至步骤S28，否则转至步骤S23；Δr为候选区域半径的递增量；

步骤S27，成功结束；

步骤S28，失败结束。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，簇中心坐标是利用簇内所有终端坐标的平均值计算得到的。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，r_max选取为簇半径的10％-20％。

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