[发明专利]一种面向无线传感器网络的近邻轮转层次分簇方法

权利要求书

1.一种面向无线传感器网络的近邻轮转层次分簇方法，其特征在于该方法主要包括如下步骤：

第1、无线传感器网络模型的构建：

第1.1、建立网络结构模型；

第1.2、建立能量消耗模型；

第2、近邻轮转层次分簇算法模型的构建：

第2.1、建立分簇模型；

第2.2、建立簇间通信链路模型；

第3、近邻轮转层次分簇协议的设计：

第3.1、准备：计算得出每个节点的节点度大小，存于节点信息表中；

第3.2、竞选簇头：分区域选取簇头节点，计算簇头节点间距离判定簇群重复覆盖范围；

第3.3、建立簇间通信链路：簇头节点负责将各传感节点收集的数据信息通过中间节点以多跳的方式发送至基站；

第3.4、数据传输：利用通信链路进行数据传输，并在传输过程中计算且存储包括簇头在内的所有传感器节点的剩余能量；

第3.5、链路维护：调整簇头节点，替换能量过少或死亡的簇头；

步骤第1.1中建立了网络结构模型，传感器节点感知数据信息，然后将数据发送到簇头，高层次的簇头通过低层次的簇头，并以多跳的方式将聚类后的数据传输到汇聚节点，最后，汇聚节点将所有的数据转发至基站；

步骤第1.2中建立能量消耗模型的方法如下，根据无线电能量消耗模型，发送一个k比特的消息，能量消耗公式为：

其中

式(3)中，k为传输数据包的字节数，d为传输的距离，当传送距离小于阈值d₀时，发射功率采用自由空间模式，否则，采用多径衰减模式；

E_elec(nJ/bit)为射频能耗系数；ε_fs和ε_mp分别为两种模式下，电路放大器的能耗系数；

接收这个消息所消耗的能量为：

E_Rx(k)＝E_Rx-elec(k)＝kE_elec (5)

每个节点都有数据融合的能力，用E_cp表示融合单位bit数据所消耗的能量，那么将m个kbits的数据分组融合成1个数据分组所消耗的能量为：

E_DF(m,k)＝mkE_cp (6)

通过公式(3)、(5)和(6)得出，经过数据传输和数据融合后节点的剩余能量为：

E_r＝E₀-E_Tx(k,d)-E_Rx(k)-E_DF(m,k) (7)；

步骤第2.1中分簇模型的建立分为三个阶段：

①选取临时簇头阶段，选取节点度最大且距离分区域中心较近的节点作为临时簇头节点，半径以内的节点为该簇内节点，分区域通过节点位置和感知半径建立判定矩阵A:

计算所有节点度后，得到节点度矩阵DN，并根据节点度矩阵选取其中节点度最大的节点，作为簇头，

第i个簇头节点记为H_i,节点度为：

若节点度矩阵DN中，节点度最大的节点有2个或2个以上，则选取距离分区域中心较近节点作为簇头节点，距离Dis为：

其中(x_i，y_i，)为节点度最大的节点位置坐标，(xm_i，ym_i，)为分区域中心点位置坐标；

②簇头调整阶段：经过步骤①选取的临时簇头间存在距离较近的情况时，簇与簇之间会有很大的覆盖面积重叠问题，会造成能量的极大浪费，这时需要进行簇头调整；计算簇头节点间的距离判定簇群重复覆盖范围，距离较近的两个簇群在划分簇内节点时，覆盖范围会产生重叠，覆盖重叠率定义为发生重叠的面积与簇覆盖面积之比，记为Overlap，当Overlap30％时，需要在该轮对簇头进行调整；

③簇头替换阶段：簇头节点除了负责感知数据外，还需要接收、处理簇内节点转发来的数据，所以能量消耗会比较快，容易造成节点过早死亡问题；随机时间片内，簇头的近邻节点轮转替换成为簇头；簇头调整阶段选取的簇头节点s_i半径为r的圆内包含的节点集合定义为近邻节点集合，记为s_i.r_CH；为了确保簇头替换时不会改变簇结构，新的簇头节点需要从近邻节点集合中选取；

步骤第2.2中簇间通信链路模型建立发生在簇形成之后，主要是将各传感节点收集的数据信息通过簇头以多跳的方式发送至基站，非簇头节点基于不同的TDMA时间片向各自的簇头节点发送数据，簇头节点在接收不同的数据后采取融合策略以降低冗余度或还原关键原始数据；

步骤第3.1为准备阶段，网络中所有节点以固定发射功率向外广播自己的位置信息和剩余能量，此时剩余能量等于初始能量，计算得出每个节点的节点度大小，存于节点信息表中，表中包含四个字段，分别是节点ID、坐标位置、剩余能量以及节点度；

步骤第3.2为竞选簇头阶段，分区域选取簇头节点，选取距离分区域中心较近的且节点度较大的节点作为临时簇头节点，半径以内的节点为该簇的簇内节点；

计算簇头节点间的距离判定簇群重复覆盖范围，若超过30％，则重新选择簇头节点，替换规则为用向相反方向节点度较大的簇内节点替换成为新的簇头节点；

步骤第3.3为簇间通信链路建立阶段，簇头节点负责将各传感节点收集的数据信息通过中间节点以多跳的方式发送至基站；首先得到每个簇头节点的路由候选节点集合s_i.R_CH，选取综合权重W_i最大的节点作为中间节点，并从最高层开始，建立到汇聚节点的通信网络链路；

步骤第3.4为数据传输阶段，利用第3.3步建立的通信链路进行数据传输，并在传输过程中利用公式(5)计算且存储包括簇头在内的所有传感器节点的剩余能量；

步骤第3.5为链路维护阶段，随着时间的推移，部分节点，尤其是簇头节点会发生能量过少或者节点死亡的问题，此时需要簇内近邻节点时间片轮转替换簇头，重复步骤3.2-3.5，直至整个网络生命周期结束。