[发明专利]一种新型的聚类路由算法

说明书

一、技术领域

本发明是一种新型的聚类路由算法，属于计算机路由技术领域。

二、背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由部署在监测区域内的传感器节点通过无线通信形成的一个多跳自组织网络系统。它能协作得感知、采集和处理覆盖区域中感知对象的信息，并传送给观察者。无线传感器网络不需要固定网络的支持，具有展开快速、抗毁性强等优点；可被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、反恐抗灾等领域。

通常情况下，无线传感器网络中的传感器节点能源有限、存储容量低，计算能力和通信能力均较弱；网络的寿命很大程度上取决于传感器节点能量消耗的快慢。因此，开发节能的路由协议对于无线传感器网络的成功应用来说意义重大。

三、发明内容

本发明提出了基于Fuzzy C-Means(FCM)的算法的改进LEACH协议。新的分簇协议首先利用FCM算法和节点的位置信息把整个网络分割成簇(是最优簇头数)；然后在这个区域中分别运用考虑了节点剩余能量的修正LEACH算法进行簇头选择。本文算法解决了经典LEACH算法中簇头节点位置的分布不均匀的问题；同时分割后的每一个区域中的节点数基本相同，大大提高了网络结构的均衡性。与经典的LEACH算法相比，无线传感器网络在新的分簇协议下能有效降低簇头空间分布的不均匀性，选举簇头的数目更加的精确与合理；与LEACH-C算法相比本文算法大大降低了网络对基站BS的过度依赖问题，同时使算法的复杂度大为降低；与pLEACH算法相比，新算法使分割区域中的节点分布更加的均匀、合理与自适应性。所以本文算法使网络能量消耗分布更加均衡，有效地延长网络生存周期。

附图说明

图1采用的无线传输能耗模型；

图2包含100个节点的无线传感器网络随机均匀部署在边长为M＝100m的正方形区域内

图3初始聚类中心

图4FCM最后输出地聚类结果

图5经典LEACH算法的簇头节点分布

图6改进的LEACH算法的簇头节点分布

图7经典LEACH与改进的LEACH算法节点能耗速度比较

图8生命周期比较

具体实施步骤

1创建无线传输能耗模型

在无线传感器网络中，路由算法的设计与采用的无线传输能耗模型紧密相关。本发明采用图1所示的模型。

从图1可以看出，该模型考虑了信息无线传输中发射电路的能耗、功率放大器的能耗以及接收电路接收信号的能耗。其中，功率放大器的能耗与传输距离d有关。具体而言，当d较小的时候，功率放大器的能耗满足自由空间(Free Space)能耗模型；当d较大的时候，其满足多路径衰减(Multi-path Fading)能耗模型。

从数学上说，每传输j-bit数据且传输距离为d时，发射机所消耗的能量等于

＝             (1)

其中，表示发j比特数据时发射电路的能耗；表示发射比特数据、传输距离为d时功率放大器的能耗。为每传输1比特数据，发射电路所消耗的能量。功率放大参数和与所采用的传输能耗模型有关，为自由空间传输，为多路径衰减传输。是区分两种模型的边界条件：

(2)

由(1)可以看出，当传输d距离大于时，发射机的能耗会随着传输距离急剧增大。在接收端，接收电路接收j比特数据所消耗的能量是

(3)

此外，本文假设：无线传感器网络中任何一个节点在处理本地数据或进行数据融合时，每处理1比特数据所需要消耗的能量为。

2无线传感网模型与最优簇头数

在本发明所考虑的无线传感器网络中，传感器节点随机且均匀的部署在一个边长为M的正方形区域内。图2给出了一个包含100个节点的网络部署实例，其中M＝100m，星号表示传感器节点的位置。

每个传感器节点都有唯一的网络标识，且每一个节点的位置在网络的整个生命周期(LifeTime)内是固定不变的。节点的感知半径相同，且能够根据自己到簇头的距离自适应的调整其发射功率。另外，节点能够随时启动和关闭感知功能，并能感知自己的剩余能量和准确的位置信息。

无线传感器网络使用分簇协议进行自组织，形成一个二级网络结构。分簇协议将传感器网络分为多个簇，每簇包含若干个节点。在每一轮(Round)数据传输开始前，每个簇选举一个簇头。簇头负责收集本簇节点的数据，并进行融合处理后发送给观察者。