[发明专利]基于FCM分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法

权利要求书

1.基于FCM分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一，建立无线传感器网络系统模型；

步骤二：设定网络参数并初始化网络状态，网络开始运行；

步骤三：确定网络最优分簇数，并判断是否需要动态成簇；

步骤四：基站采用FCM算法实现网络动态分簇，具体步骤为：

(1)初始化FCM参数并建立其目标函数；设定FCM算法最大迭代次数为G，迭代次数标号为g，g∈[1,G]，FCM迭代终止因子为ε；设定网络第k轮运行FCM第g次迭代时的聚类中心位置矢量集合为为FCM第g次迭代时第j′个聚类中心的位置矢量，j′＝1,2,...,c^k，g＝1,2,...,G；FCM目标函数其中，m∈[1,∞)为模糊因子，分别为FCM第g次迭代时存活节点i′相对于聚类中心j′的欧式距离和隶属度，s′_i′为存活节点i′的位置矢量；当g＝1时，随机初始化聚类中心位置集合隶属度需要注意的是：存活节点i′对所有聚类中心的隶属度总和为1，即

(2)更新隶属度；隶属度按照如下公式进行更新：为待求和变量标号；

(3)更新聚类中心；聚类中心按照如下公式进行更新：

(4)更新相对欧式距离；存活节点与聚类中心的欧式距离按照如下公式进行更新：

(5)演进终止判断，完成网络动态分簇；判断FCM算法是否达到演进终止条件，即达到最大迭代次数G或满足若满足，则输出聚类中心并根据隶属度最大原则实现网络动态分簇；若不满足，则令g＝g+1，返回步骤四(2)继续执行；

(6)基站将网络动态分簇消息打包与唤醒信标一同泛洪发送至网络，消息包括节点通信标识ID、节点剩余能量、节点位置、节点工作模式标识、节点归属簇ID、归属簇内其它节点通信标识ID、归属簇内其它节点位置、归属簇内其它节点剩余能量，而网络中各存活节点则根据通信标识ID获取属于自己的分簇消息；

步骤五：将网络中休眠节点唤醒，进行冗余节点判断；

网络第k轮运行时，若节点i″、j″存活且处于工作模式，即满足若满足||s_i″-s_j″||≤r_net，则节点i″、j″互为邻居节点；节点i″检测自己所有邻居节点，若同时满足以下五个条件，则认为该节点为冗余节点，冗余节点不作为其它待检测节点的邻居节点参与检测过程，这样有效避免了相邻节点同时休眠而出现的监测盲区情况，条件如下：节点i″的邻居节点数大于等于4；存在横坐标小于x_i″且纵坐标小于y_i″的邻居节点；存在横坐标小于x_i″而纵坐标大于y_i″的邻居节点；存在横坐标大于x_i″而纵坐标小于y_i″的邻居节点；存在横坐标大于x_i″且纵坐标大于y_i″的邻居节点；

步骤六：无线传感器网络动态簇首竞争选举；

考虑簇内节点w的剩余能量与簇内所有存活节点平均剩余能量的比值作为参考，可以表示为其中，W为节点w所属簇内存活节点数目，E_res(w)为节点w的剩余能量，节点w的剩余能量越大，f₁′(w)就越大，当选簇首的概率就越高；候选节点与基站的距离同样影响着簇首选举，选择距离基站较近的节点担任簇首有助于减少簇首能量损耗，候选节点与基站的距离因素可以表示为其中，d_toBS(w)为节点w到基站的距离，节点w到基站距离越近，f₂′(w)就越大，当选簇首的概率就越高；节点的相对距离可以表示为其中，d_a(w,w′)为节点w与簇内其他节点w′之间的距离，f₃′(w)越大，节点之间相对距离越小，节点之间的通信代价就越小；簇内节点根据式最大来分布式竞选簇首；

步骤七：无线传感器网络冗余节点休眠调度；

若某冗余节点在动态簇首竞争阶段成功竞选簇首，则调度此冗余节点为工作模式；若某冗余节点在动态簇首竞争阶段落败，则调度此冗余节点为休眠模式，该节点仅监听网络中的唤醒信标，并向其归属簇的簇首发送一条消息来告知自身进入休眠状态，该消息包括：节点自身通信标识ID、节点归属簇ID、节点自身剩余能量、节点工作模式标识；

步骤八：无线传感器网络稳定数据传输，并更新网络状态；

数据路由能量损耗具体为，若某节点n为簇首，则其稳定数据传输能量损耗，其中，为簇首所属簇内处于工作模式且其通信模式标识为0的节点数；若某节点n为簇内工作节点，且满足χ_n＝0，则其稳定数据传输能量损耗其中，为该节点归属簇的簇首；若某节点n为簇内工作节点，且满足χ_n＝1，则其稳定数据传输能量损耗个存活节点进行稳定数据传输后，有些节点可能会消亡，若满足则更新节点工作模式标识标识该节点死亡，进而更新网络状态；

步骤九：无线传感器网络运行终止判断；

判断网络是否运行到最大运行轮数K或所有节点消亡，即判断k+1是否等于K或是否等于零，若满足，则终止无线传感器网络的运行；若不满足，则令k＝k+1，返回步骤三，无线传感器网络进行下一轮的运行。