一种无线传感网络分簇方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无线传感网络分簇方法及系统。该方法包括：计算无线传感器网络的分簇个数；利用区域划分法选出k‑means聚类算法的初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心；根据所述分簇个数以及所述簇中心，对所述无线传感器网络中的待分簇节点进行划分；判断划分后的各簇内的节点个数是否在阈值范围内；若是，选取每个簇的簇头；若否，通过分裂和合并方法调整簇内节点个数；根据簇头与簇内的所有节点建立数据传输路由，完成分簇。本方法及系统能够使分簇更加均匀，使网络中节点的能耗更加均匀。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感网络分簇方法及系统
本专利技术涉及无线传感器领域，特别是涉及一种无线传感网络分簇方法及系统。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，传感器节点将监测到的数据转换成电信号并通过无线多跳的通信方式发送给基站。无线传感网中的路由协议有平面路由与层次路由。平面路由协议算法简单，能量消耗较快，不适合在大规模网络中使用。在层次路由协议中，网络通常被划分为簇，每个簇由一个簇首和多个簇成员组成，簇首与基站通信。层次路由适合大规模的无线传感器网络，可扩展性好。Leach算法是早期应用最为广泛的分簇路由协议，HEED算法对Leach算法进行了改进，由于算法对簇半径进行了固定，因此离基站近的区域会出现“能量空洞”效果。EEUC算法是早期的非均匀路由协议，协议通过使距离基站近的簇距离远的簇的规模小，初步解决了距离基站近的节点死亡过快的问题，但EEUC算法的分簇半径考虑因素过于单一，分簇半径不合理。UCR算法是一种非均匀分簇算法，但在算法运行过程中，节点的竞争半径不变，因此存在能耗不均匀的现象。CUCRA算法也是一种非均匀分簇算法，在计算竞争半径时考虑了能量因素，使得节点的竞争半径随着节点的剩余能量较少而变小。BPK-means算法，在聚类分簇后采用了均衡调度策略使每个簇内的节点个数趋于平均值，均衡每个簇内的总能量消耗，通信阶段采用了单跳模式，不适用于大规模的网络模型。EKMT算法在利用k-means算法分簇的情况下，在簇头选举策略中结合节点到簇中心点的距离，节点到基站的距离，并考虑了剩余能量的因素，簇头分布满足能耗均衡的要求，但依然未能解决多对一传输模式下的能耗热点问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无线传感网络分簇方法及系统，用来解决分簇不合理，能耗不均匀的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种无线传感网络分簇方法，所述方法包括：计算无线传感器网络的分簇个数；利用区域划分法选出k-means聚类算法的初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心；根据所述分簇个数以及所述簇中心，对所述无线传感器网络中的待分簇节点进行划分；判断划分后的各簇内的节点个数是否在阈值范围内；若是，选取每个簇的簇头；若否，通过分裂和合并方法调整簇内节点个数；根据簇头与簇内的所有节点建立数据传输路由，完成分簇。可选的，所述计算无线传感器网络的分簇个数，具体包括：计算多跳传输中的簇间消耗；计算多跳传输中的簇内消耗；计算多跳传输中的总消耗；根据所述总能耗、所述簇间消耗以及所述簇内消耗，计算所述分簇个数。可选的，所述利用区域划分法选出k-means聚类算法的初始聚类中心，具体包括：以所述无线传感器网络的重心点为中心，将所述无线传感器网络划分为多个区域；计算各区域的区域重心；统计各区域内的节点个数；根据所述区域重心以及各区域内的节点个数确定初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心。可选的，所述根据所述分簇个数以及所述簇中心，对所述无线传感器网络中的待分簇节点进行划分，具体包括：计算所述待分簇节点到各所述簇中心的距离；根据所述分簇个数，将所述待分簇节点划分到距离最近的所述簇中心。可选的，所述选取每个簇的簇头，具体包括：对每个簇计算簇内各节点的当前剩余能量；计算簇内各节点与所述簇中心的距离；选取所述剩余能量最大以及距离所述簇中心最近的节点为簇头。一种无线传感网络分簇系统，所述系统包括：分簇个数计算模块，用于计算无线传感器网络的分簇个数；初始聚类中心确定模块，用于利用区域划分法选出k-means聚类算法的初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心；划分模块，用于根据所述分簇个数以及所述簇中心，对所述无线传感器网络中的待分簇节点进行划分；判断模块，用于判断划分后的各簇内的节点个数是否在阈值范围内；簇头选取模块，用于当划分后的各簇内的节点个数在阈值范围内时，选取每个簇的簇头；调整模块，用于通过分裂和合并方法调整簇内节点个数；数据传输路由建立模块，用于根据簇头与簇内的所有节点建立数据传输路由，完成分簇。可选的，所述分簇个数计算模块具体包括：簇间消耗计算单元，用于计算多跳传输中的簇间消耗；簇内消耗计算单元，计算多跳传输中的簇内消耗；总消耗计算单元，计算多跳传输中的总消耗；分簇个数计算单元，用于根据所述总能耗、所述簇间消耗以及所述簇内消耗，计算所述分簇个数。可选的，所述初始聚类中心确定模块具体包括：划分单元，用于以所述无线传感器网络的重心点为中心，将所述无线传感器网络划分为多个区域；区域重心计算单元，用于计算各区域的区域重心；统计单元，用于统计各区域内的节点个数；初始聚类中心确定单元，用于根据所述区域重心以及各区域内的节点个数确定初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心。可选的，所述划分模块具体包括：第一距离计算单元，用于计算所述待分簇节点到各所述簇中心的距离；划分单元，用于根据所述分簇个数，将所述待分簇节点划分到距离最近的所述簇中心。可选的，所述簇头选取模块具体包括：剩余能量计算单元，用于对每个簇计算簇内各节点的当前剩余能量；第二距离计算单元，用于计算簇内各节点与所述簇中心的距离；选取单元，用于选取所述剩余能量最大以及距离所述簇中心最近的节点为簇头。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：本专利技术通过簇的形成阶段和传输阶段的总能耗的方法得到最优分簇个数，可使网络更加合理地进行数据融合和传输。在分簇阶段，采用区域划分法选取初始中心，使分簇更加均匀，提高算法效率。针对非均匀分簇导致的“能量空洞”问题，引入了分裂、合并操作，使网络中节点的能耗更加均匀。且考虑距离和能量的因素，更加合理的选取簇头。簇间数据传输阶段，构造基于距离和剩余能量因素的路由树，使网络的能耗均衡，延长生命周期。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例无线传感网络分簇方法的流程图；图2为本专利技术实施例无线传感网络分簇系统的结构框图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例无线传感网络分簇方法的流程图。如图1所示，一种无线传感网络分簇方法，包括：步骤101：计算无线传感器网络的分簇个数。求出使网络总能耗最低的最优分簇个数kopt值。计算kopt值的具体过程为：步骤1011：采用式(1)中的无线通信能耗模型。节点发送数据的能量消耗为：其中，l表示发送数据包的长度，Eelec表示每比特数据在发送电路和接收电路消耗的能量，εfs和εmp分别表示两种模型中功率放大电路能耗系数，两种模型为自由空间模型和多路衰减模型。d表示相邻节点i到j之间的距离，d0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感网络分簇方法，其特征在于，所述方法包括：计算无线传感器网络的分簇个数；利用区域划分法选出k‑means聚类算法的初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心；根据所述分簇个数以及所述簇中心，对所述无线传感器网络中的待分簇节点进行划分；判断划分后的各簇内的节点个数是否在阈值范围内；若是，选取每个簇的簇头；若否，通过分裂和合并方法调整簇内节点个数；根据簇头与簇内的所有节点建立数据传输路由，完成分簇。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感网络分簇方法，其特征在于，所述方法包括：计算无线传感器网络的分簇个数；利用区域划分法选出k-means聚类算法的初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心；根据所述分簇个数以及所述簇中心，对所述无线传感器网络中的待分簇节点进行划分；判断划分后的各簇内的节点个数是否在阈值范围内；若是，选取每个簇的簇头；若否，通过分裂和合并方法调整簇内节点个数；根据簇头与簇内的所有节点建立数据传输路由，完成分簇。2.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述计算无线传感器网络的分簇个数，具体包括：计算多跳传输中的簇间消耗；计算多跳传输中的簇内消耗；计算多跳传输中的总消耗；根据所述总能耗、所述簇间消耗以及所述簇内消耗，计算所述分簇个数。3.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述利用区域划分法选出k-means聚类算法的初始聚类中心，具体包括：以所述无线传感器网络的重心点为中心，将所述无线传感器网络划分为多个区域；计算各区域的区域重心；统计各区域内的节点个数；根据所述区域重心以及各区域内的节点个数确定初始聚类中心；所述初始聚类中心为簇中心。4.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述根据所述分簇个数以及所述簇中心，对所述无线传感器网络中的待分簇节点进行划分，具体包括：计算所述待分簇节点到各所述簇中心的距离；根据所述分簇个数，将所述待分簇节点划分到距离最近的所述簇中心。5.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述选取每个簇的簇头，具体包括：对每个簇计算簇内各节点的当前剩余能量；计算簇内各节点与所述簇中心的距离；选取所述剩余能量最大以及距离所述簇中心最近的节点为簇头。6.一种无线传感网络分簇系统，其特征在于，所述系统包括：分簇个数计算模块，用于计算无线传感器网络的分簇个数；初始聚类中心确定模块，用于利用区域划...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯欣，张科，任成浩，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22