[发明专利]一种基于模糊控制的WSN容错非均匀分簇方法

权利要求书

1.一种基于模糊控制的WSN容错非均匀分簇方法，其特征在于：包括网络模型、成簇和容错三个部分；基于网络模型，考虑节点的剩余能量、节点中心度以及节点与基站距离，运用模糊控制器和节点本地信息来计算节点成为簇头的机会和簇大小值，使具有最大机会值的节点成为簇头，并依据簇大小值来决定某成员节点是否加入，从而形成大小合适的簇；在数据传输阶段采用TDMA方式，进行簇内数据的收集，并容忍簇头和成员节点的临时和永久故障，簇间采用最短路径多跳方式进行数据传输，当簇头出现永久故障时，最优的备份簇头成为簇头，成员节点出现永久故障时，该节点从网络中移除，从而有效均衡簇间负载，降低网络能耗从而提高网络生命周期。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的WSN容错非均匀分簇方法，其特征在于：所述的成簇通过分布式地运行在每个节点中的模糊控制器来确定其成为簇头机会和簇大小值，从而将网络分为若干大小不同的簇，且性能最优的节点成为簇头，具体包含簇头选举和簇建立两个过程；在簇头选举过程最初，网络中的所有节点被指定为簇成员节点，接下来为“剩余能量”、“节点中心度”、“节点到基站距离”这三个输入变量指定模糊语言变量，其中剩余能量“Energy”和节点中心度“Centrality”的模糊语言变量为“低”，“中”，“高”(low、middle、high)；节点到基站距离“Distance”的模糊语言变量为“近”、“中”、“远”(near、middle、far)，且“低”、“近”、“高”、“远”采用梯形隶属函数，模糊语言“中”采用三角形隶属函数，这些隶属度函数基于现有研究实验结果及我们自己的实验结果；模糊输出变量成为簇头的机会“Chance”采用九个模糊变量，即“很低”，“低”，“较低”，“低中”，“中”，“高中”，“较高”，“高”，“很高”(very low,low,rather low,low medium,medium,high medium,rather high,high,very high)，其中“很低”和“很高”采用梯形隶属度函数,其它输出语言变量采用三角形隶属度函数；第二个输出变量簇大小“Size”采用七个模糊语言变量，它们分别是“很小”，“小”，“较小”，“中”，“较大”，“大”，“很大”(very small,small,rathersmall,medium,rather large,large,very large)，其中“很小”和“很大”采用梯形隶属度函数，其它都采用三角形隶属度函数；

清晰输入值被模糊推理引擎通过给定的隶属度函数模糊化为合适的语言变量，然后制定了模糊IF-THEN规则，模糊输入变量通过IF-THEN规则库进行处理，一共有27条规则，模糊推理引擎的输出仍然是一个模糊语言变量，采用质心法来解模糊，从而获得清晰输出量“机会”和“大小”；

在簇建立过程，节点可能处于三种状态之一，即成员、簇头、备份簇头，部署后，所有节点处于成员状态，并启动模糊控制器计算其成为簇头的“机会”和簇“大小”，然后，所有节点向其通信半径内的邻居节点广播“簇头竞争报文”CH_CP，CH_CP报文由报文类型、节点ID以及“机会”值构成，其中报文类型表明这是一个簇头竞争报文；具有比其它节点更高“机会”值的节点成为簇头并广播“竞争成功报文”CH_SUCCESS,CH_SUCCESS报文由报文类型、节点ID构成，节点收到CH_SUCCESS后，更新其附近簇头列表，并向距其最近的簇头发送“加入簇报文”CH_JOIN，其由报文类型、节点ID以及簇头ID构成，并将该簇头从簇头列表中删除，接收到CH_JOIN报文的簇头检查其“大小”以判断是否接收新成员，如果簇成员节点小于“大小”值，发回“成功加入报文”CH_JOIN_SUCCESS，其由报文类型、节点ID、成员ID以及分配的时隙构成，并将该成员依其机会值大小加入备份簇头列表，否则发回“加入失败报文”CH_JOIN_FAIL，其包括报文类型、节点ID和成员ID构成，表明没有新成员节点的空间了；当某个节点接收到CH_JOIN_FAIL报文时，如其簇头列表非空，则发送CH_JOIN报文给下一个最近的簇头，直至其加入到某个簇；最坏的情况下，簇头列表空时节点仍然无法加入到某簇，则其自身选为簇头，簇形成后，根据模糊控制器输出的每个节点的机会值大小，按照机会值由高到低的原则形成“备份簇头列表”，各簇头向簇内广播“备份簇头列表报文”CH_Bch,该报文包括报文类型、节点ID以及备份簇头列表；接收到CH_Bch的节点保存备份簇头列表，节点ID与列表中第一个备份簇头ID相同的，则成为备份簇头，其它节点标记该节点为备份簇头。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的WSN容错非均匀分簇方法，其特征在于：所述的容错是通过时分复用TDMA方式来监视簇头和成员节点以维护所建立的簇，即当簇头出现永久故障时，最优的备份簇头成为簇头，成员节点出现永久故障时，该节点从网络中移除，一旦簇建立，簇成员节点基于分配的时隙可以开始数据传输，在该阶段，所有传感器节点都在消耗能量，因此，无论是簇头还是簇成员都可能出现能量耗尽的情况；一旦有簇成员节点失效，节点中心度将发生变化，影响节点成为簇头机会和簇大小值，而如果簇头节点死亡，则整个簇覆盖区域都不能被监测，因此，对失效的簇头和成员节点进行处理是很有必要的；为了维护创建的簇，簇成员经常计算其模糊控制器输出，并将成为簇头的机会值随数据同时发送给簇头，簇头基于接收的机会值来更新备份簇头列表，更新的列表通过一个数据请求报文周期性发送给簇成员以确保实时更新最合适的备份簇头，从而实现当簇头死亡时其成员能尽快被通知以避免网络中数据的丢失，且成员死亡时，簇头将它从备份簇头列表中移除，具体实现采用TDMA方式来监视簇头和成员；成员一旦接受到一个数据请求报文则发送其数据包，如果簇头在帧尾没有收到请求的数据，则给该成员打上错误标记，然后簇头在下一个周期时隙发出另一个请求，如果还未收到请求的数据，则认为该成员永久故障并将其从备份簇头列表中移除，同样，成员在所分配的时隙等待来自其簇头的数据请求，如果成员在帧尾没有接连收到数据请求报文，则认为簇头可能出现了临时故障，它将等待下一相应时隙来接收数据请求报文，如果还没有接收到数据请求报文，则认为簇头出现了永久故障，于是，成员检查其接收的簇头最近更新的备份簇头列表，并将第一个节点作为簇头发出加入簇报文，并等待确认报文，然而，该节点也可能失效，一旦没有接收到确认报文，则以列表的下一个节点为簇头发出加入簇报文，直到最后加入到某个簇头。