一种基于最优分簇数的无线传感器网络非均匀分簇方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最优分簇数的无线传感器网络非均匀分簇方法，其特点是，包括：最优分簇数计算法和非均匀分簇法，第一，根据具体情况对数据压缩比系数进行调节，并使汇聚节点的位置可以任意放置；第二，引进簇头到汇聚节点的期望值，以及节点度因素，实现簇半径自适应调整，使距离汇聚节点近的簇头簇半径减小，节约出能量用于数据汇聚转发，而远离汇聚节点的簇头簇半径增大，覆盖更多普通节点，实现均衡能耗。能够准确确定簇头节点的优化数目，实现簇头节点的均匀分布和非均匀分簇，有效降低节点的能量消耗，延长网络生命周期，具有方法科学合理，适用性强，可广泛适用于各种无线传感器网络。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感器网络
，涉及一种基于最优分簇数的无线传感器网 络非均匀分簇方法。
技术介绍
无线传感器网络路由协议是优化网络能耗的有效手段之一。无线传感器网络的 路由协议一般分为平面路由和分层路由，平面路由的特点是简单易行，节点对等，易于网络 扩展，但是其信息重叠、冲突、自爆等很多问题会造成网络能耗大，路由表过大难于维护，时 延大；分层路由通过选举一些节点做特定工作，如汇集普通节点数据、对数据融合压缩、打 包封装再发送到汇聚节点等，达到优化能耗的目的。分层路由相对于平面路由更能节约 能量，因而更受到研究者的重视。分层路由的典型代表有麻省理工学院的Wendi Rabiner Heinzelman等学者设计的低功耗自适应聚类路由LEACH协议；计算机学报，传感器网络 路由协议，第30卷第1期，2007年1月公开的李成法等人提出的一种基于非均匀分簇的无 线传感器网络路由协议EEUC。 LEACH作为第一个针对无线传感器网络的分层的低功耗自适应分簇路由协议，其 首先提出了将能耗优化问题转化为优化簇头数目的问题，并且根据无线收发信模块能耗模 型建立簇头节点和普通节点每一轮的能耗模型，进而建立每一轮网络的能耗公式，求得每 一轮网络能耗的最优值。另外协议还提出了很多思想，如均匀分簇、簇头半径、簇头选举、数 据压缩等，这些思想为之后无线传感器网络的研究提供了多方面的建模思路。但是，算法还 是存在一些不足，例如，最优簇头数目的推导过程中假定簇内节点发来的多个包数据，经过 簇头压缩后可以得到一个数据包，这样的压缩比固然可观，但是这样的假设并不客观。而且 LEACH提出时只将汇聚节点固定在一个点，并未尝试其他位置的情况，经过分析可以发现， 最优簇头数目的计算不适用于汇聚节点在原点的情况，甚至汇聚节点无限接近原点时也不 适用。 非均勻分簇思想首先由Stanislava Soro在UCS算法中提出，但是这种算法建模 是基于簇头节点为能量超大的异构网，与实际节点能量不符合。2007年，李成法等人提出了 一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议EEUC，算法引进了最大分簇半径，即离汇 聚节点最远的簇头节点的成簇半径。其它簇头节点则根据到汇聚节点的距离，在最大分簇 半径基础上自动调整簇半径。算法中簇半径达到了自适应，能耗得到了有效的控制，但是簇 半径的选择，只考虑了簇头节点到汇聚节点的距离，而未考虑节点密度等其它重要因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是，克服现有LEACH算法和EEUC算法的不足，提供一种科学合理，适 用性强，能够准确的确定簇头节点的优化数目，实现簇头节点的均匀分布和非均匀分簇，有 效的降低节点的能量消耗，延长网络生命周期的基于最优分簇数的无线传感器网络非均匀 分簇方法。 本专利技术的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于最优分簇数的无线传感器网 络非均匀分簇方法，其特征是，它包括：最优分簇数计算法和非均匀分簇法，第一，根据具体 情况对数据压缩比系数进行调节，并使汇聚节点的位置可以任意放置；第二，引进簇头到汇 聚节点的期望值，以及节点度因素，实现簇半径自适应调整，使距离汇聚节点近的簇头簇半 径减小，节约出能量用于数据汇聚转发，而远离汇聚节点的簇头簇半径增大，覆盖更多普通 节点，实现均衡能耗，具体内容如下： (1)最优分簇数计算法 在簇头数目计算时，假定所有N个节点均匀的分布在面积为MXM的方形区域内，k 个簇头随机选取，每个簇所占的面积为M2/k，则有，每一轮网络的能耗模型可以分为k个簇 的能耗，而每个簇的能耗可分为Ν/k-l个普通节点能耗和一个簇头节点的能耗，使无线收 发信模块能耗模型中的一个簇头节点一次接收和发送簇内节点的数据，其平均能耗E αI包 括接收簇内节点数据的能耗、数据压缩能耗、将数据发送到汇聚节点的能耗，公式表示为： 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最优分簇数的无线传感器网络非均匀分簇方法，其特征是：它包括最优分簇数计算方法和非均匀分簇方法，所述的最优分簇数计算方法针对LEACH的簇头优化数目计算方法中压缩比假设不客观，以及方法不适用于汇聚节点在原点的问题，引进了可以根据具体情况进行调节的数据压缩比系数，并且改进了计算方法，使得汇聚节点可以任意放置；所述的非均匀分簇方法针对EEUC算法中簇半径的选择考虑因素单一的问题，引进了簇头到汇聚节点的期望值，以及节点度等因素，簇半径实现了自适应调整，使距离汇聚节点近的簇头簇半径减小，使远离汇聚节点的簇头簇半径增大。

【技术特征摘要】
1. 一种基于最优分簇数的无线传感器网络非均匀分簇方法，其特征是：它包括最优分 簇数计算方法和非均匀分簇方法，所述的最优分簇数计算方法针对LEACH的簇头优化数目 计算方法中压缩比假设不客观，以及方法不适用于汇聚节点在原点的问题，引进了可以根 据具体情况进行调节的数据压缩比系数，并且改进了计算方法，使得汇聚节点可以任意放 置；所述的非均匀分簇方法针对EEUC算法中簇半径的选择考虑因素单一的问题，引进了簇 头到汇聚节点的期望值，以及节点度等因素，簇半径实现了自适应调整，使距离汇聚节点近 的簇头簇半径减小，使远离汇聚节点的簇头簇半径增大。2. 根据权利1所述的一种基于最优分簇数的无线传感器网络非均匀分簇方法，其特征 是：一个簇头节点一次接收和发送簇内节点的数据，其平均能耗表示为：(1) 其中，1表示1 bit数据，N表示网络总节点数，k表示簇头节点数目，E&。表示接收、发 送lbit数据收发电路的能耗，EDA表示lbit数据压缩的能耗，επρ表示多径衰落模型下发 送lbit数据发射放大电路能耗,d toSINK表示节点到SINK节点距离,E(dt()Sim4)表示dt()SINK 4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建坡，陈晓娟，霍俊元，曲朝阳，赵立权，李楠，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22