一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法技术

本发明专利技术公开了一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，每个簇至多由三个簇头，即主簇头MCH、从簇头SCH、融合簇头FCH负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信节点对负责簇间通信，SCH根据簇间通信环境决定是否参与簇间通信；成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整及簇间发射功率调整与通信模式选择。本发明专利技术能够有效降低剩余能量值很大但最大通信覆盖范围很小的节点成为簇头的概率，并能根据网络中节点最大通信覆盖范围分布的变化而自适应地调整成簇范围，从而确保簇间总能连通；通过引入一个FCH来分担簇内MCH的负载，以略微增加的簇形成控制开销取得了簇结构寿命的较大提升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机网络应用和虚拟MIMO通信领域，涉及一种多簇头簇内负载分担、成簇范围与簇间通信模式能够自适应通信环境状况变化的改进成簇技术。
技术介绍
多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技术能够提高无线网络容量、减少能量消耗、改善无线网络覆盖质量，但是，网络中的无线设备必须装备多根天线才能利用这些优点。诸如传感器这样的小型无线设备大多无法达到这样的要求。于是，研究者们提出了虚拟MIMO技术，通过多个单天线设备的协同发射与接收来模拟真实MIMO的效果。通常有四种通信模式比较常用，除了MIMO外，还有单输入单输出(Single-Input Single-Output,SISO)、单输入多输出(Single-Input Multi-Output,SIMO)、多输入单输出(Multi-Input Single-Output,MISO)。一些典型工作(如Clustering and Cooperative Protocol(CCP)[1]和Cooperative MIMO(CMIMO)[2])充分利用了这四种模式的优点，能够根据不同的通信条件进行灵活的切换。CCP可以根据通信条件优化协同的节点数量，而CMIMO则限制了协同节点的数量至多为2。文献[3]的作者得出了两个结论：第一，SIMO、MISO和MIMO模式比SISO模式的能量效率更高；第二，在很多情况下，2×2(MIMO)模式比1×1(SISO)、3×3(MIMO)和4×4(MIMO)等模式更节省能量。在虚拟MIMO中，若更多节点进行协作发射，很难获得精确的时间同步效果，对节点进行高效管理也变得更困难[4]。因此，协同节点的数量不超过2是一种能效最优化与维护管理高效化之间的一种合理折中。CMIMO方案是这种折中考虑的典型代表，但仍存在一些亟待解决的问题：第一，在簇头选举中，未考虑候选节点最大通信覆盖范围的差异性，且其成簇范围预先指定，无法根据无线通信条件的变化自动调节；第二，未根据簇内成员与簇头间位置的不同相应优化其发射功率；第三，主簇头承担簇内数据汇聚与融合、与从簇头协同进行簇间通信、充当信标簇头等工作，负担过重，极易出现主簇头过早死亡现象。因此，急需提出一种应对上述问题的新方法。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，给出了一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，即ICV-MIMO(Improved Clustering scheme for Virtual MIMO-based topology construction)，不仅能最小化簇间通信时的总能量消耗(即发射能耗和电路能耗)，而且能改善簇内通信的能耗均衡性以及自适应确定成簇范围。本专利技术的技术方案为：每个簇至多由三个簇头，即主簇头(Master Cluster Head,MCH)、从簇头(Slave Cluster Head,SCH)、融合簇头(Fusion Cluster Head,FCH)负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信“节点对”负责簇间通信，SCH也可根据簇间通信环境决定是否参与簇间协作通信。该方案可用于无线传感器节点静态组网进行环境状态监测的应用场景，当簇内成员感知到状态信息时，将其传输到簇内的FCH节点进行融合处理，再发送给簇内的MCH/SCH“节点对”，该MCH/SCH“节点对”负责通过簇间通信以多跳的方式或直接传输到基站。若出现FCH节点先于同一簇内的MCH节点死亡的情况，则MCH节点接替FCH节点承担簇内数据汇聚与融合工作，即这时的工作过程与CMIMO方案类似。本专利技术的成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整、簇间发射功率调整与通信模式选择三个阶段，其中，簇间发射功率调整与通信模式选择与文献[2]的操作一致，不再阐述，下面详细阐述前两个阶段的操作过程。在簇形成阶段，需要依次执行邻居发现、MCH选举、SCH选举、簇成员关联与FCH选举四个算法，具体描述如下：为了获得邻居的相关信息，需要定义如下消息格式以便于相互交换信息：[IDt,et,pt,max,dt,max,Lt,nei＝{…,(IDi,di,t),…本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，每个簇至多由三个簇头，即主簇头MCH、从簇头SCH、融合簇头FCH负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信“节点对”负责簇间通信，SCH根据簇间通信环境决定是否参与簇间通信；成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整及簇间发射功率调整与通信模式选择三个阶段。

【技术特征摘要】
1.一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，每个簇至多由三个簇头，即主簇头MCH、从簇头SCH、融合簇头FCH负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信“节点对”负责簇间通信，SCH根据簇间通信环境决定是否参与簇间通信；成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整及簇间发射功...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂劲松，周凯，余琼，邓晓衡，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43