一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法技术

本发明专利技术涉及一种无线传感器网络分簇拓扑控制算法，特别是一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法CAROC（Clustering Algorithm for Ring wireless sensor networks based on the Optimal Cluster number），算法面向环形网络，以每环能耗最小为目标，计算出每环的最优簇数，并基于该最优簇数划分环，且考虑最优簇数、簇中节点剩余能量与初始能量的关系、簇成员到簇头距离与簇头到基站距离的关系来确定簇头阈值函数，函数值大的节点被选为簇头，从而形成环簇型拓扑结构，使网络能量消耗最小，提高网络的能量效率和可扩展性，延长网络生命周期。

【技术实现步骤摘要】
一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法
本专利技术涉及一种面向无线传感器网络的拓扑控制方法，特别是一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制控制方法CAROC(ClusteringAlgorithmforRingwirelesssensornetworksbasedontheOptimalClusternumber)，它通过计算每个环中能耗最小时的最优簇数来构建环簇型拓扑结构，降低网络能耗，提高网络可扩展性，延长网络生命周期。
技术介绍
无线传感器网络是一种分布式传感器网络，主要由大量廉价、能量受限、存储和计算能力较弱的无线传感器网络节点构成，广泛应用于环境监测、军事、医疗保健、紧急救援等方面。拓扑控制是一种重要的无线传感器网络节能方法，特别是分簇拓扑控制，通过将网络划分为若干簇，每个簇中选出一个节点成为簇头CH(ClusterHead)，其它节点作为成员节点CM(ClusterMember)，成员节点与簇头通信，簇头与簇头或直接与基站BS(BaseStation)通信，有效提高网络能量效率，延长网络生命周期。目前有的研究人员将无线传感器网络划分为若干环，并在每个环内构建若干簇，并通过调节簇的大小和数量，来降低网络能量消耗。但有的方法在簇头转发数据过程中选取距离自身最近的相邻环中簇头节点时，没有考虑到相邻环中簇头节点的剩余能量，导致这些簇头容易出现能量耗尽而早死。有的方法形成簇时使靠近基站的簇内节点数量较少，虽然减轻了簇内通信量，但导致簇头承担大量转发任务，能耗下降很快。而且现有方法随着环数增多，通常能量效率降低，可扩展性不好，尤其是现有方法随机确定环内簇数，无法确保能量高效。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有面向环形无线传感器网络的分簇方法环内簇数不确定导致的可扩展性弱以及能量效率不高问题，以每个环中能量消耗最小为原则计算出每一个环中的最优簇数，然后将每个环按照相应的最优簇数分成若干大小相等的簇。簇头选举时考虑环中最优簇头数占比、节点剩余能量、节点间距离以及节点与基站距离这些因素，使簇中最优的节点成为簇头。本专利技术包含网络模型、最优簇数计算以及簇头选举三个部分。网络模型具体为环形网络，即在基站BS位于中心的圆形目标区域，将其划分成多个同心环，节点均匀分布在各个环内，且所有节点向网络中唯一的基站传输数据。而最优簇数计算是为了求出使每个环内能耗最小的簇数，从而可以基于该簇数来划分环，构建等于该簇数的簇。而簇头选举基于每个环划分的簇，从中选出最优的节点成为簇头，承担管理簇和融合、转发簇内数据的任务，形成能量效率高的环簇型网络拓扑。所述的网络模型为环形网络，即在基站BS位于中心且半径为R的圆形目标区域，将该圆形目标区域划分成n个同心环，N个节点均匀分布在各环中，所有节点向网络中唯一的基站传输数据。节点一旦部署位置不再发生变化，且具有相同的初始能量和唯一的ID号。节点的能耗采用自由空间模型，具体包括发送数据、接收数据以及融合数据消耗的能量。所述的最优簇数计算包括最外环即第n环最优簇数计算以及其它任一第i环最优簇数计算。对于第n环与其它环不同，它所划分的簇不存在转发其它环数据的任务，因此簇能量消耗包括簇成员与簇头以及簇头与相邻环簇头之间的数据通信所消耗的能量，环中所有簇能量消耗累加就得到整个环的能量消耗，基于该能量对簇数求导计算出第n环中最优簇数。同理，对于其它任一环i，它所划分的簇能量消耗除了簇成员与簇头以及簇头与相邻环簇头之间的数据通信能量消耗外，还有转发其相邻外层簇头数据的能量消耗，这三部分能量消耗构成整个簇能量消耗，环中所有簇能量相加就能得到整个环的能量消耗，求导计算就能得出第i环中的最优簇数。所述的簇头选举根据每环计算得到的最优簇数将环划分为等分的簇，基于最优簇头数占比、簇中节点剩余能量与初始能量的关系以及簇成员到簇头距离与簇头到基站距离的关系来构建阈值函数，簇中函数值最大的节点被选为簇头，其它节点成为簇成员，网络从而形成优化的环簇型拓扑结构。由以上叙述可见本专利技术一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法包含网络模型、最优簇数计算以及簇头选举三个部分，面向环形网络，以每环能耗最小为目标，计算每环的最优簇数，考虑最优簇头数占比、簇中节点剩余能量与初始能量的关系以及簇成员到簇头距离与簇头到基站距离的关系来选举簇头，形成环簇型拓扑结构，实现网络能量消耗最小目的，提高网络的能量效率和可扩展性，延长网络生命周期。附图说明图1为本专利技术的网络模型图2为本专利技术的簇头间距离示意图图3为本专利技术的簇成员与簇头间距离示意图图4为本专利技术的不同网络大小时第一个节点死亡时间示意图图5为本专利技术的不同网络大小时网络能耗示意图图6为本专利技术的不同网络大小时网络平均节点剩余能量示意图图7为本专利技术的不同网络大小时网络存活节点数示意图具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法包含网络模型、最优簇数计算以及簇头选举三个部分。面向环形网络，以每环能量最小为目标，计算出每环的最优簇数，考虑最优簇头数占比、簇中节点剩余能量与初始能量的关系以及簇成员到簇头距离与簇头到基站距离的关系来选举簇头，形成环簇型拓扑结构，实现网络能量消耗最小，延长网络生命周期。所述的网络模型为环形网络，如图1所示。基站位于中心，圆形目标区域半径为R，将该圆形目标区域划分成n个同心环，N个节点均匀分布在各环中，所有节点向网络中唯一的基站BS传输数据。节点一旦部署位置不再发生变化，且具有相同的初始能量和唯一的ID号，网络中链路没有冲突和重传，网络具有很好的连接性。节点的能耗采用自由空间模型计算，发送数据能量消耗为：接收数据能量消耗为：ER(u)＝u×Eelec(2)其中Eelec是一个传感器节点发送或者接收1bit数据时电子电路所消耗的能量。d0是距离阈值，εfs，εmp放大电路参数。融合Ni个传感器节点数据所消耗的能量为EDA，表示为：其中，Eda是融合1bit数据所消耗的能量，u是数据包的长度。所述的最优簇数计算包括最外环即第n环最优簇数计算以及其它任一第i环最优簇数计算。对于最外环的簇头仅需要接收簇成员发送的数据，然后把这些数据融合成固定长度的数据转发给下一环中某个簇头。假设最外环中每个簇的节点数目为Nn，ρ为节点密度，最外环最优簇数为mn，每个簇所对应的扇形圆心角为θn，则有同一环中每个簇头传输数据所消耗的能量相等，每个簇传输数据消耗的能量相同，一般用En表示。一个簇的能量消耗包括簇头的能量消耗Ech和簇成员发送数据给簇头所消耗的能量Ecm。Ech表达式如下所示：其中，l是数据包的长度，dch是簇头与下一跳簇头之间的欧几里得距离。如图2所示。其数学表达式如下：图2中A和C是最外环某簇的簇头，A＝(xn，yn)，B是A的下一跳簇头，B＝(xn-1，yn-1)。由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法CAROC，其特征在于：包括网络模型、最优簇数计算以及簇头选举三个部分，面向环形网络，以每环能耗最小为目标，计算出每环的最优簇数，并基于该最优簇数划分相应环，且考虑最优簇头数占比、簇中节点剩余能量与初始能量的关系、簇成员到簇头距离与簇头到基站距离的关系来确定簇头阈值函数，函数值大的节点被选为簇头，从而形成环簇型拓扑结构，使网络能量消耗最小，提高网络的能量效率和可扩展性，延长网络生命周期。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法CAROC，其特征在于：包括网络模型、最优簇数计算以及簇头选举三个部分，面向环形网络，以每环能耗最小为目标，计算出每环的最优簇数，并基于该最优簇数划分相应环，且考虑最优簇头数占比、簇中节点剩余能量与初始能量的关系、簇成员到簇头距离与簇头到基站距离的关系来确定簇头阈值函数，函数值大的节点被选为簇头，从而形成环簇型拓扑结构，使网络能量消耗最小，提高网络的能量效率和可扩展性，延长网络生命周期。


2.根据权利要求1所述的面向环形无线传感器网络的分簇拓扑控制方法CAROC，其特征
在于：所述的最优簇数计算包括最外环即第n环最优簇数计算以及其它任一第i环最优簇数
计算，对于最外环的簇头仅需要接收簇成员发送的数据，然后把这些数据融合成固定长度
的数据转发给下一环中某个簇头，假设最外环中每个簇的节点数目为，为节点密度，，最外环最优簇数为，每个簇所对应的扇形圆心角为，则有

=



同一环中每个簇头传输数据所消耗的能量相等，每个簇传输数据消耗的能量相同，用
表示，一个簇的能量消耗包括簇头的能量消耗和簇成员发送数据给簇头所消耗的能量，表达式如下所示：



其中，是数据包的长度，是簇头（）与下一跳簇头（）之间的欧几里得
距离，其数学表达式如下：

=
由于采用自由空间模型，所以，同时也要保证簇头可以通过一跳把数据传送到
下一跳的簇头，所以，其中，为通信半径，当相邻环中两个簇的簇头的连线与两个簇
边界的切线相垂直时，这两个簇头之间的距离最短，即，综上所述，，可见，当时，相邻簇头之间转发数据所消耗的能量最小，的表
达式为：



因为一个簇中CM节点到CH节点的距离不等，所以采用数学期望的方法求，n环中CM节
点到CH节点距离的平方期望的表示如下：
E()==

为一个簇中簇成员到簇头之间的最大距离，根据余弦定理可以求出：






其中，



综上所述，最外环的总能量消耗为：






对上式求导可以得出最外环的最优簇数为：



其中，
A=...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡黄水，韩优佳，赵宏伟，武莎莎，王宏志，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22