[发明专利]一种基于改进AP聚类的无线传感器网络分簇方法

权利要求书

1.一种基于改进AP聚类的无线传感器网络分簇方法NCA-AP，其特征在于：包含簇初始化、簇重构和簇维护三个部分，所述的簇初始化是在网络开始时通过考量节点间距离和中心度来选择簇头，通过AP聚类计算节点的相似度、吸引力、归属度，以及加入阻尼系数加快算法收敛，减轻震荡影响，从而找到最优的聚类中心，即找到最优的节点成为簇头；首先计算网络中节点的相似度矩阵S：

其中ε_fs为自由空间模型的能量消耗，ε_mp为多径衰落模型的能量消耗，d_i,bs为节点到基站的距离，d_i,k为节点k与节点i之间的距离，s(i,k)初始化为0，

然后计算网络中节点X＝{x₁,x₂,x₃....,x_n}之间的吸引力，

其中NC(Node_Centerality)是节点中心度，其中N_I为节点i的邻居节点数量，S_area为计算的传感区域的面积，N(i)为节点i的邻居集合，

接着计算网络中节点X＝{x₁,x₂,x₃....,x_n}之间的归属度

再考虑阻尼系数λ，将其加到AP聚类算法中，能够有效减少算法迭代次数和运行时间，减轻震荡影响，

r_new(i,k)＝ρ*λ*r_old(i,k)+(1-λ)*r(i,k) ⑹

a_new(i,k)＝ρ*λ*a_old(i,k)+(1-λ)*a(i,k) ⑺

式(6)和(7)中，下标old和new分别表示上一次和本次迭代更新的最终结果，为阻尼系数，λ越大消除震荡的效果越好，但收敛速度也越慢，反之亦然；最后确定初始聚类中心，式(8)中，若i＝k，则节点i自身是簇头；若i≠k，则节点k是节点i的簇头；

k＝argmax_k{a(i,k)+r(i,k)} ⑻

所述的簇重构是当离基站最近的簇头剩余能量小于网络所有簇头剩余能量平均值时，重新采用AP聚类来搜索簇中心，找到最优簇头；此时除了考量节点间距离和中心度外，还考量节点的剩余能量，重新计算节点的相似度、吸引力、归属度，找到簇内最优的节点成为簇头；是离BS最近的簇头的剩余能量，h是整个网络中总簇头数；

同样首先计算网络中节点的相似度矩阵S，式(13)中E_now节点当前能量，E_init是节点初始能量，d_i,bs是节点到BS的距离；

然后计算网络中x＝{x₁,x₂,x₃...,x_n}之间的吸引力r(i,k)，考虑节点剩余能量，节点中心度和节点间距作为相似度的度量；节点剩余能量越少，中心度值越低则成为簇头的可能性越低；

同簇初始化一样，采用公式(5)～(8)选出剩余能量高、节点中心度值高的节点当选簇头；

所述的簇维护是当网络中任意某簇簇头剩余能量低于设定的阈值时，选取该簇内最优的节点成为簇头；且当某簇剩余能量最高节点的值低于设定的另一个阈值时，该簇解散，每个节点加入距其最近的簇头或直接和基站通信；簇重构后网络被化分成h个簇；为了减少周期全网成簇导致的高能量消耗，簇维护只在簇进行；当任意簇h_i中簇头的能量低于如式(12)所示的阈值p时,则在簇h_i中选取T值最大的节点成为簇头，T值计算如式(13)所示:

p＝m*(E_bro+E_elec*n′_i) ⑿

q＝(E_bro+E_elec*n′_i) ⒁

其中E_bro为簇头将数据传输至基站所需的能量，E_elec是传感器节点发送或者接收1bit数据时所消耗的能量,m是属于0到1之间的随机数，n′_i是簇h_i中成员节点数，此外，当某个簇中剩余能量最高节点的值低于如式(14)所示的阈值q时，则将该簇解散，解散后的节点向自己的邻居簇头广播自身的剩余能量和ID，邻居簇头接收到消息后将检查其簇的大小，若不接受该节点加入，则不回应该节点消息，若允许节点加入则向该节点发送自己的信息；节点接收所有邻居簇头的消息后，比较自己和簇头的距离以及簇头的剩余能量，选择距离最近且剩余能量最多的簇头加入；若没有簇头回应该节点，则该节点直接将数据发送给基站。