一种无线传感器网络节点分布式聚类方法技术

本发明专利技术涉及一种无线传感器网络节点分布式聚类方法，一种无线传感器网络节点分布式聚类方法，网络中所有节点进行聚类后，各节点从邻居节点中确认自己的簇头，将具有相同簇头的节点视为一分簇；节点在发送信息时，同一分簇内的非簇头节点将信息发送给簇头节点，簇头节点对接收到的信息进行聚合后发送给上一级的簇头节点，最终信息发送给基站。本发明专利技术通过节点聚类的方式，选择剩余电量较高的节点作为簇头节点，并周期性的更换簇头节点，降低网络中高级别节点的能耗，提高低级别节点的能耗，网络中能量的有效利用率得到提升，延长了网络的生命周期。

A Distributed Clustering Method for Wireless Sensor Network Nodes

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络节点分布式聚类方法
本专利技术涉及一种无线传感器网络节点分布式聚类方法，属于无线传感器

技术介绍
无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型的、廉价的、低功耗的传感器节点和基站组成，这些节点多以自组织和多跳等方式构成的。节点之间以协作方式感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内监测对象信息，并通过多跳路由和数据聚合处理后，将信息汇聚到基站，再通过通讯的方式把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络扩展了人们对信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，为人们提供直接、有效、真实的海量信息。无线传感器节点通常是用微型电池提供能量，面对微型电池能量有限且运行在恶劣甚至危险的自然环境中能量难以补充的问题，电池能量的消耗情况对节点是否能发挥作用起决定性作用。而在无线传感器网络中，无线通信又是电池能量的主要消耗者。而且对于传感器节点来说，如果能量消耗过快，先于下一级传感器节点耗尽能量，则其下一级传感器节点将会形成孤岛，无法将数据传输到基站。因此在无线传感器网络中，节点能量消耗速度不均衡，高级别节点能量消耗快，低级别节点能量消耗慢，网络中能量的有效利用率低，网络生命周期较短。
技术实现思路
针对上述领域中存在的问题，本专利技术提供一种无线传感器网络节点高效聚类的方法，使得节点聚类成簇，从而减少网络的无线通信次数，从而均衡网络中的传感器节点能耗，延长整个网络的生命周期。一种无线传感器网络节点分布式聚类方法，网络中所有节点进行聚类后，各节点从邻居节点中确认自己的簇头，将具有相同簇头的节点视为一分簇；节点在发送信息时，同一分簇内的非簇头节点将信息发送给簇头节点，簇头节点对接收到的信息进行聚合后发送给上一级的簇头节点，最终信息发送给基站。所述聚类为周期运行，每个聚类周期分为普通节点聚类阶段、簇头节点聚类阶段和稳定阶段；网络在普通节点聚类阶段和簇头节点聚类阶段完成所有节点的聚类操作，确定自己的簇头节点；当聚类运行一段时间后，聚类周期重新开始，再次重新确定自己的簇头节点。所述聚类的方法为在聚类周期开始时，网络中所有节点都设为普通节点状态，开始普通节点聚类阶段，所有节点根据自身编号来确定聚类的次序；在某节点进行聚类时，该节点获取周围邻居节点的信息并进行分析，若邻居节点中无分簇的簇头节点，则建立新的分簇，选择某一节点作为新分簇的簇头节点，并加入新建立的分簇；若邻居节点中有分簇的簇头节点，则确定某一分簇，并加入分簇；普通节点聚类阶段结束后是簇头节点聚类阶段，在簇头节点聚类阶段，所有簇头节点根据周围邻居节点的信息，确定一个上级邻居节点或基站作为所属另一个分簇的簇头节点，并加入该分簇；簇头节点聚类阶段结束后，网络中所有节点都已聚类成簇，网络进入稳定阶段，传感器节点采集数据，并发送给自身的簇头节点，簇头节点再逐级上传至基站。所述聚类次序的方法为节点根据自身编号N，在普通节点聚类阶段开始后等待(N-1)*T时间，再开始进行聚类，其中T为单个节点进行聚类所需要的时间。所述获取周围邻居节点信息的方法为节点广播自己的节点信息，并且接收周围节点的广播信息，以确认自己邻居节点的状态，并进行分析。所述节点信息包括节点级别、剩余电量、是否为簇头节点的信息。所述选择某一节点作为新分簇的簇头节点的方法为节点将自身的剩余电量与邻居节点的剩余电量相比较，选择其中一个剩余电量最多的节点作为新分簇的簇头节点。所述加入新建立的分簇的方法为节点向新分簇的簇头节点发送含有节点ID的请求包，新分簇的簇头节点在收到请求包后，改变自身状态，成为簇头节点，广播自己新的状态信息，并将请求包中的ID提取出来，加入自己的簇内，并回复应答包；节点在收到新分簇的簇头节点发送的应该包后，确认加入分簇成功，将新分簇的簇头节点设为自身的簇头节点；若节点自身被选为新分簇的簇头节点，则改变状态，成为簇头节点，并广播自己行的状态信息。所述确定某一分簇的方法为周围邻居节点中存在有分簇的簇头节点，比较各簇头节点的级别及剩余电量，确定级别最低的簇头节点中剩余电量最多的簇头节点所属的分簇为节点待加入的分簇。所述加入分簇的方法为节点向所确定的分簇的簇头节点发送含有节点ID的请求包，分簇的簇头节点在收到请求包后，将请求包中的ID提取出来，加入自己的簇内，并回复应答包。节点在收到该分簇的簇头节点发送的应该包后，确认加入分簇成功，将该分簇的簇头节点设为自身的簇头节点。所述确定一个上级邻居节点的方法为簇头节点分析邻居节点的信息，若上一级邻居节点中存在有其它分簇的簇头节点，则选择其中剩余电量最多的簇头节点；若上一级邻居节点中没有其它分簇的簇头节点，则创建新的分簇，选择上一级邻居节点中剩余电量最多的节点作为新分簇的簇头节点。普通节点：可以感知其周围空间的温度、湿度、光照度、气体浓度等环境信息的无线传感器网络节点。普通节点同时具有数据包聚合与转发的功能，可以将其自身产生的传感数据或接收到的其它节点的传感数据进行聚合处理并发送到其通讯能力可达的任何节点，普通节点有自己唯一的ID(身份识别号码)；普通节点分为一级、二级、三级等等；在常规网络中的常识，低级传感器节点距离基站较远，传输信息时需要借助上一级节点转发。本专利技术中，普通节点只属于一个分簇中。簇头节点：具备数据聚合与转发能力的节点。本专利技术中定义网络中任何普通传感器节点都可以成为簇头节点。本专利技术中，簇头节点属于两个分簇中，作为一个分簇的簇头节点和另一个分簇的非簇头节点。基站：传感数据最终传输到的节点。本专利技术中，基站只属于一个分簇中，且为该分簇的簇头节点。本专利技术是以节点为中心，每个节点根据各自邻居节点的状况，使得网络中所有节点聚类成簇。每个聚类周期分为三个阶段，普通节点聚类阶段、簇头节点聚类阶段和稳定阶段。在普通节点聚类阶段，节点自身编号确定聚类次序，在节点开始聚类时，根据邻居节点的信息，选择加入已有的分簇或者创建新的分簇。在簇头节点聚类阶段，簇头节点根据上一级邻居节点的信息，选择加入已有的分簇或者创建新的分簇。在稳定阶段，网络中的节点将采集的信息发送给簇头节点，簇头节点将接收的信息进行聚合后转发给上一级簇头节点，最终将信息传输到基站。通过大量计算机仿真，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术通过节点聚类的方式，选择剩余电量较高的节点作为簇头节点，并周期性的更换簇头节点，降低网络中高级别节点的能耗，提高低级别节点的能耗，网络中能量的有效利用率得到提升，延长了网络的生命周期。附图说明图1是无线传感器网络中节点分布式聚类方法的流程图；其中a为普通节点聚类阶段，b为簇头节点聚类阶段，图2是普通节点建立并加入新分簇示意图；其中a为节点A、B均不是簇头，b为节点A以自身为簇头，c为节点A以节点B为簇头；图3是普通节点加入周围分簇示意图；其中a为节点A的邻居节点中有B、C、D、E簇头，其中b为节点A以簇头D为自己的簇头；图4是簇头节点建立并加入新分簇示意图；其中a为簇头节点A，其上级邻居节点B、C无簇头，其中b为簇头节点A确定上级邻居节点B为簇头；图5是簇头节点加入分簇示意图；其中a为簇头节点A，其上级邻居节点B、C为簇头，其中b为簇头节点A确定上级邻居簇头节点B为自己的簇头；图6是无线传感器网络中节点聚类结果示意图；其中：1，2，3，4为四个分簇，其中s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感器网络节点分布式聚类方法，网络中所有节点进行聚类后，各节点从邻居节点中确认自己的簇头，将具有相同簇头的节点视为一分簇；节点在发送信息时，同一分簇内的非簇头节点将信息发送给簇头节点，簇头节点对接收到的信息进行聚合后发送给上一级的簇头节点，最终信息发送给基站。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络节点分布式聚类方法，网络中所有节点进行聚类后，各节点从邻居节点中确认自己的簇头，将具有相同簇头的节点视为一分簇；节点在发送信息时，同一分簇内的非簇头节点将信息发送给簇头节点，簇头节点对接收到的信息进行聚合后发送给上一级的簇头节点，最终信息发送给基站。2.根据权利要求1所述的聚类方法，所述聚类为周期运行，每个聚类周期分为普通节点聚类阶段、簇头节点聚类阶段和稳定阶段；网络在普通节点聚类阶段和簇头节点聚类阶段完成所有节点的聚类操作，确定自己的簇头节点；当聚类运行一段时间后，聚类周期重新开始，再次重新确定自己的簇头节点。3.根据权利要求2所述的聚类方法，为在聚类周期开始时，网络中所有节点都设为普通节点状态，开始普通节点聚类阶段，所有节点根据自身编号来确定聚类的次序；在某节点进行聚类时，该节点获取周围邻居节点的信息并进行分析，若邻居节点中无分簇的簇头节点，则建立新的分簇，选择某一节点作为新分簇的簇头节点，并加入新建立的分簇；若邻居节点中有分簇的簇头节点，则确定某一分簇，并加入分簇；普通节点聚类阶段结束后是簇头节点聚类阶段，在簇头节点聚类阶段，所有簇头节点根据周围邻居节点的信息，确定一个上级邻居节点或基站作为所属另一个分簇的簇头节点，并加入该分簇；簇头节点聚类阶段结束后，网络中所有节点都已聚类成簇，网络进入稳定阶段，传感器节点采集数据，并发送给自身的簇头节点，簇头节点再逐级上传至基站。4.根据权利要求3所述的聚类方法，所述聚类的次序的方法为节点根据自身编号N，在普通节点聚类阶段开始后等待(N-1)*T时间，再开始进行聚类，其中T为单个节点进行聚类所需要的时间。5.根据权利要求3所述的聚类方法，所述获取周围邻居节点信息的方法为节点广播自己的节点信息，并且接收周围节点的广播信息，以确认自己...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨彦红，丁忠祥，
申请(专利权)人：北京印刷学院，
类型：发明
国别省市：北京,11