[发明专利]基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法

说明书

本发明基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法属于网络节点算法领域，解决了现阶段无线传感器网络规模趋于扩大化和网络节点部署密集易造成数据冗余、能耗较大等问题，提出基于正六边形网格的无线传感器网络非均匀分簇算法(HGUC)，算法首先将感知区域进行正六边形网格划分，其次，在簇头选举阶段，选举每个网格中能量最大的节点作为备选簇头节点，最终簇头节点的选取考虑最优簇头数、节点的剩余能量、每个网格内存活节点个数等因素；在成簇阶段，根据簇首与基站的距离、节点剩余能量等因素，设定簇群范围的大小，从而降低数据冗余，实现网络能耗均衡。

技术领域

本发明属于网络节点算法领域，特别是涉及一种基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法。

背景技术

无线传感器网络是一种面向应用的网络，被广泛应用于军事监控、农业和医疗健康的监测与监护等领域。其节点布置密集和数据采集的周期性，易形成大量冗余数据，极大地消耗了节点有限的能量。目前，常用的节能方法是路由节点在数据转发之前进行数据融合处理，使有效数据得到最大程度压缩，从而降低冗余。

现阶段常用的节能方法是路由簇头节点在数据转发之前进行数据融合处理，使有效数据得到最大程度压缩，从而降低冗余，但此方法没有从源头数据采集阶段减少冗余数据采集，数据融合处理能耗较大，

LEACH是经典的分簇路由算法，与传统的静态路由比较，更适合现阶段大规模、实时性要求高的网络，可以有效延长网络生存周期，但LEACH协议存在的缺陷是簇头选举时未能考虑节点的剩余能量和节点能耗均衡，单跳通信易造成“热区”。

EEUC(Energy Efficient Uneven Clustering)作为一种有效的非均匀分簇路由算法，解决了LEACH协议带来的“热区”问题，即，通过簇间多跳模式进行数据传输，利用节点竞争半径使得离基站越远的簇的范围越大，从而节约簇内能量用于簇间使用，但算法簇头选举频繁、确定簇竞争半径时没有考虑节点剩余能量等问题，节点能耗较大，大大降低了网络生存周期。

翟春杰在基于分区的能耗均衡路由协议主要通过网络分区,提出使得距离基站远近不同的分区内簇个数不同来均衡簇间与簇内能耗，但是该算法没有考虑节点密度，节点密集区域簇头数量较少，加速了个别节点死亡速率，另外还有采用权值局部竞选簇头,簇头通过距离数值等构建半径不等的多个簇。

另外有的算法中采用网络正方形网格划分，感知区域节点覆盖重叠面积较大，数据冗余较多。针对以上算法综合问题，本文提出一种基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法，旨在从根本上减少节点冗余数据的采集，簇头节点的选举考虑网格区域节点密度、节点剩余能量、减少簇头选举轮数等多个因素，最大程度的减少节点数据采集传输能耗，显著地延长了网络生存寿命。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，解决了现阶段无线传感器网络规模趋于扩大化和网络节点部署密集易造成数据冗余、能耗较大等问题，旨在提供一种基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法，算法采用虚拟正六边形网格划分，在每个网格中选出能量最大的节点作为备选簇首节点，休眠网格冗余节点，减少了网格内活跃节点的个数，以降低网络冗余数据采集和传输干扰，并减少不必要的数据监听；在成簇阶段，根据备选簇首节点与基站的距离和备选节点当前网格内邻居节点数目、剩余能量，改进簇首节点竞争半径来构造大小不等的簇，进而平衡簇内及簇间能耗，有效的延长网络的生存周期。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法，本算法按照以下步骤进行：

1)簇建立阶段：以虚拟正六边形网格划分，在每个网格选举能量最大的节点作为备选簇头节点，同时考虑每个网格内存活相邻节点数，确保网格存活节点中最终选出能量最大且具有最多相邻节点数的节点成为最后的簇头节点，具体算法如下：

首先，确定网格最优簇头节点个数，最优簇头数表示如式(5)