[发明专利]面向电力物联网的基于GMM算法的分簇多跳路由确定方法

说明书

本发明公布了一种面向电力物联网的基于GMM算法的高能效分簇多跳路由算法，其涉及分簇和多跳路由问题，本发明不依赖先验条件的分簇算法，以减低物联网设备的能耗和节约信道资源，大大地节省了节点计算的时间和需要消耗的资源，同时能够达到更好的效果。

技术领域

本发明涉及一种高能效分簇多跳路由算法，特别是一种面向电力物联网的基于GMM算法的高能效分簇多跳路由确定方法。

背景技术

随着配用电业务终端数量的不断增加与新型智能电网业务的不断开展，大规模物联业务也开始逐渐向智能电网渗入。大规模机器类通信(mMTC)有望在未来的电力无线网络中发挥重要作用。它将能够支持数百亿的低复杂度和能量受限的机器类终端。目前，物联网设备大规模地应用于环境监测、电力控制等领域中，通过部署海量的物联网节点来监测被监控区域内的各项物理指标，并将每个设备采集的数据上传到基站。

目前电力物联网的主要挑战是为大量设备提供可靠，高效的连接，其解决方案需要实现广域覆盖和深度室内穿透，同时具有低成本和高能效。同时，大多数物联网设备通常配备有低容量电池，并且预计可以长时间运行而无需更换电池。因此，非常低的功耗对于操作至关重要，这意味着节能是必不可少的。

随着电力物联网的快速发展，无线频谱资源的紧缺将成为制约物联网发展的关键问题。物联网物-物之间的通信需要无线频谱的支撑，而现有的固定频谱分配方式显然不能满足日益增长的频谱需求。本专利考虑在优化能量效率的同时，通过复用信道节约无线频谱资源。

分簇和多跳路由是提高物联网能效的常用方法。不同于每个节点直接接入到基站的传统方式，将网络中的节点划分到不同的集群中。在每个集群中，选取合适的簇头，集群中的全部数据汇总到簇头中。每个簇头可以选择其他集群的簇头作为中继，向基站回传数据。通过分簇和多跳路由，簇头节点可以压缩需要发送的数据，减少网络中的数据冗余。并且，通过让网络中的大多数节点传输到合适的簇头节点，大大提高了网络的能量效率。

下面是现有几种典型的多跳路由管理策略：

方案1：专利号ZL 201410621932.8提出了基于最大最小距离法的分簇多跳路由方法，采用最大最小法选取簇中心，根据簇中心重新分簇，簇头的选择按照权值最大的原则，根据节点到簇头的距离形成新簇，改善了LEACH协议中簇头随机选取的不足，使网络的能耗均匀的消耗在各个节点上。采用连续Hopfield神经网络在簇头和Sink间产生一条通信路径最短的链路，对所述链路进行优化形成以Sink为中心的多跳树簇式链路。

方案2：专利号ZL 201710891220.1提出了基于剩余能量的集合划分多跳路由方法，包括：将无线传感器网络划分为多个区域；将无线传感器网络内的所有节点按距离最近的原则划分成多个具有相同节点数目的第一集合；根据第一集合在无线传感器网络内的位置分布，生成具有多个簇首的第二集合；为每个簇首赋予一个权值；为第二集合内的每个簇首确定前向簇首；为第二集合内的每个簇首确定下一跳簇首；每个第一集合内的成员与其对应的簇首之间具有第一距离，该成员与Sink节点之间具有第二距离，根据第一距离与第二距离之间的大小关系，确定该成员是与其对应的簇首还是与Sink节点通信。

方案3：专利号ZL 201010212142.6提供了一种多跳路由传输系统及传输方法，所述传输系统包括用以发出数据的源节点和用以接收数据的目的节点，所述源节点与目的节点之间设有用以接收源节点发出的数据的备份节点，所述备份节点用以在所述目的节点无法正确接收源节点发出的数据时代替目的节点的位置执行目的节点的功能，所述备份节点与目的节点之间的距离为备份步长，所述备份步长小于源节点与目的节点之间的距离。

上面几种方案均各自存在缺点，方案1：该方案基于最大最小距离法选择簇的簇头，但是专利中分簇的方法是首先确定簇头后，再计算节点到簇头的距离决定分簇。这样的方案十分依赖于簇头的位置，如果簇头选择的位置比较偏僻，其他普通节点需要消耗大量的能量传输到簇头。