[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

说明书

本发明提供一种基于FCM分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法，规定网络按“轮”周期运行，在动态成簇阶段，根据当前网络状态判断是否需要动态成簇，若需要则采用模糊C均值聚类FCM实现成簇阶段；在冗余节点判断阶段，根据某节点覆盖区域内邻居节点的位置分布情况来判断该节点是否冗余；在动态簇首选举阶段，综合考虑节点剩余能量、节点与基站距离、节点与簇内其他节点距离三个因素并结合当前网络状态来选举最优簇首；在冗余节点休眠调度阶段，调度非簇首冗余节点休眠、簇首冗余节点工作；在稳定数据传输阶段，本发明优化了数据转发传递路径，减少了网络能耗，延长了整个网络的生命周期。

技术领域

本发明涉及一种基于FCM分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络WSN是由大量微型传感器通过无线通信方式形成的多跳自组织网络，随着微电子技术、传感技术和通信技术的发展，无线传感器网络在科学、医疗、商业、国防等领域都具有广泛的应用和发展前景。传感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力，节点之间相互协作，共同完成大规模复杂的监测任务。无线传感器节点计算能力有限、能量有限且无法更换电池等原因使得无线传感器网络能量受限，尽一切可能以延长无线传感器网络的生命周期是WSN的一个重要研究分支。

目前，无线传感器网络的节能研究主要从网络级和节点级两个层次进行展开。在网络级可以设计良好的分簇规则和路由协议，使数据在转发传递时能耗降低，从而延长网络生命周期；而在节点级可以从开源和节流两方面进行，开源方面通过对电子元器件的研究使无线传感器电源续航时间延长或者通过太阳能等方式进行中途充电，节流方面主要通过节点休眠调度策略来减少冗余数据收集，降低传感器能耗，进而延长网络生命周期。无线传感器网络分簇路由协议一般规定网络按“轮”周期运行，每轮包括簇首选举、簇的建立和稳定数据传输三个阶段，簇内节点与簇首单跳通信，簇首与基站单跳或多跳通信；无线传感器网络冗余节点休眠调度策略一般规定网络节点具有工作和休眠两种工作模式，在满足一定覆盖质量的同时调度网络节点的工作模式，轮流将部分节点投入低功耗的休眠状态。将无线传感器网络分簇路由与冗余节点休眠调度结合设计，将会进一步减少数据冗余、均衡网络能耗，进而延长整个网络的生命周期。

通过对现有技术文献的检索发现，孙超等在《传感技术学报》(2010,23(01):116-121)上发表的“无线传感器网络分簇拓扑的覆盖区域节点调度优化算法研究”中采用与节点剩余能量相关的动态随机簇首选举机制，使节点当选簇首的概率与其剩余能量正相关，根据某节点覆盖区域内非簇首邻居节点的位置分布情况来判断该节点是否冗余，并对其进行休眠调度，均衡了网络能耗，但在网络运行过程中会出现“热区”，即极大簇，特别是在网络运行后期，簇首数量会急剧下降，难以满足分簇路由协议正常要求；衣晓等在《计算机应用研究》(2011,28(04):1499-1501)上发表的“无线传感器网络节点调度优化分簇算法研究”中将冗余节点判断环节提升至动态随机簇首选举环节之前，不仅可以判断出更多的冗余节点，而且能有效地减少簇首数量，但在网络运行过程中仍然会出现“热区”，并且较多休眠节点会降低网络覆盖质量；温涛等在《通信学报》(2014,35(10):67-80)上发表的“无线传感器网络冗余节点休眠调度算法”中研究了网络运行后期由于节点休眠调度所产生的边界收缩问题，但其研究不结合网络分簇路由协议，仅包含节点休眠调度；李伟等在《传感技术学报》(2019,32(12):1881-1888)上发表的“基于数据相似度的无线传感器网络节点休眠调度策略”中将分布式非均匀分簇路由协议与基于基站接收数据模糊聚类的节点休眠调度策略相结合来进一步延长网络生命周期，将基站接收数据和节点精确位置作为节点休眠调度的先验知识，会导致网络计算量的剧增，违背了协议简单的原则。