一种基于动态分簇的无线传感器网络簇建立方法技术

本发明专利技术一种基于动态分簇的无线传感器网络簇建立方法，属于无线传感器网络技术领域，涉及一种避免能量空洞的无线传感器网络动态分簇方法；包括步骤一、簇头选取，步骤二、簇半径计算及步骤三、簇建立三个步骤；簇头选取和簇半径计算，按照网络有没有出现死亡节点分两种情况考虑，分别获得了网络没有出现死亡节点时的簇头选取概率、网络出现死亡节点后的簇头选取概率、网络没有出现死亡节点时的簇半径以及网络出现死亡节点后的簇半径，使无线传感器网络动态分簇更加合理，实现了网络能耗均衡、避免出现能量空洞的目的；具有方法科学合理，高效，低能耗，能够延长无线传感器网络生命周期等优点。期等优点。期等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态分簇的无线传感器网络簇建立方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络
，涉及一种避免能量空洞的无线传感器网络动态分簇方法。

技术介绍

[0002]无线传感器网络分簇路由协议每轮是由一次簇建立阶段和多次稳定传输阶段构成的。分簇技术是无线传感器网络中的核心技术之一，对无线传感器网络长期稳定运行具有十分重要的意义。分簇方法决定无线传感器网络簇建立过程中簇头选取和簇半径计算，合理的分簇方法可以有效均衡节点能耗，避免能量空洞产生，提高网络能量利用率。同时，分簇合理性会影响整个网络后续工作的能量消耗，因而研究高效节能的分簇方法是抑制能量空洞，延长节点生命周期的有效途径。
[0003]分簇在分簇式路由协议中主要分为簇头选取和簇半径计算两部分，在簇头选取中，从普通节点中按照一定的规则选取一些节点作为具有数据采集、融合和转发功能的簇头节点，优化节点能耗；在簇半径计算中，在簇头节点的通信半径范围内按照一定的规则计算簇半径值。簇头节点根据簇半径广播当选消息，并且等待普通节点反馈信息。合适的簇半径会降低簇内节点在数据汇集时消耗的能量，均衡网络能耗。
[0004]但目前的分簇方法依然存在一些问题，主要体现在：
[0005](1)在簇头选取中，簇头选取已经考虑了节点剩余能量、自身能耗速率、节点分布密度以及节点到基站的距离等影响因素，但是没有考虑到网络出现死亡节点后，以及死亡节点成片出现造成能量空洞时的影响，不合理的簇头选取不仅无法优化网络能耗，反而会加速死亡节点出现；
[0006](2)在簇半径计算中，常用簇半径计算方法能够根据节点分布密度自适应调整，但使用节点分布密度计算方式不能准确计算当前节点的邻居节点情况，如果处于能量空洞边缘区域的簇半径选取偏大，可能会增加簇头节点能耗，反而会扩大能量空洞区域。
[0007]因此，需要一种设备来解决现有技术面临的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种簇建立方法，减少上述簇头选取和蔟半径计算时的问题。
[0009]一种基于动态分簇的无线传感器网络簇建立方法，其特征是：包括以下方法，且以下步骤顺次进行：
[0010]步骤一、簇头选取
[0011]当网络没有死亡节点时，的簇头选取概率如下：
[0012][0013]其中，P
n
‑1表示网络没有出现死亡节点时第n个节点的簇头选取概率，n＝1,
2,
···
,N，k表示簇头数目，N表示节点总数，为簇头占节点总数的比例，E
n
‑
res
为第n个节点的剩余能量，E
max
为节点的初始能量，为所有节点在上一轮中平均能量消耗，E
n
‑
con
为第n个节点在上一轮中的能量消耗，η1为节点分布密度的权重，可根据具体情况动态变化，取值范围为0＜η1＜1，默认情况取η1＝0.5，N
n
‑
neighbor
为第n个节点的邻居节点数目，N
alive
表示当前网络存活的节点数目，用来衡量网络节点分布疏密程度，d
BS
‑
MAX
为所有节点到基站距离的最大值，d
BS
‑
MIN
为所有节点到基站距离的最小值，d
n
‑
BS
为第n个节点到基站距离，p
min
为最小选举收敛概率；
[0014]当网络有死亡节点时，网络出现死亡节点后的簇头选取概率表示为：
[0015][0016]其中，P
n
‑2表示网络出现死亡节点后第n个节点的簇头选取概率，n＝1,2,
···
,N；rate
n
‑
ND
表示为第n个节点的节点度的变化率；
[0017]其中rate
n
‑
ND
的计算公式为：
[0018][0019]公式(2)中N
n
‑
R
为第n个节点在第R轮时的邻居节点数目，R≥2，N
n
‑
R
‑1为第n个节点在第R
‑
1轮时的邻居节点数目；
[0020]通过上述方法得出簇头选取概率，选取整个网络的所有簇头；
[0021]步骤二、簇半径计算
[0022]步骤一中选取簇头后，计算簇半径：
[0023]当网络没有死亡节点时，簇半径表示为：
[0024][0025]其中，R
i
‑1表示网络没有出现死亡节点时第i个簇头的簇半径，i＝1,2,
···
,k，d
i
‑
CH
‑
BS
为第i个簇头到基站距离，为所有簇头到基站距离的平均值，d
CH
‑
BS
‑
MAX
为所有簇头到基站距离的最大值，d
CH
‑
BS
‑
MIN
为所有簇头到基站距离的最小值，η2为簇头到基站距离的权重，可根据具体情况动态变化，取值范围为0＜η2＜1，默认情况取η2＝0.5，N
i
‑
neighbor
为第i个簇头的邻居节点数目，R
L
为均匀分簇时的簇半径；
[0026]当网络有死亡节点时，网络出现死亡节点后的簇头选取概率表示为：
[0027][0028]其中，R
i
‑2表示网络出现死亡节点后第i个簇头的簇半径，i＝1,2,
···
,k；rate
i
‑
ND
表示第i个簇头的节点度的变化率：
[0029][0030]其中，N
i
‑
R
为第i个簇头在第R轮时的邻居节点数目，R≥2，N
i
‑
R
‑1为第i个簇头在第R
‑
1轮时的邻居节点数目；
[0031]步骤三、簇建立
[0032]通过步骤一及步骤二得到整个网络里的所有簇头及簇头半径，完成簇建立。
[0033]所述步骤一中计算出的簇头选取概率与阈值进行比较，簇头选取概率大于阈值时选为簇头。
[0034]通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：本专利技术一种避免能量空洞的无线传感器网络动态分簇方法，分为簇头选取和簇半径计算，按照网络有没有出现死亡节点分两种情况考虑，分别获得了网络没有出现死亡节点时的簇头选取概率、网络出现死亡节点后的簇头选取概率、网络没有出现死亡节点时的簇半径以及网络出现死亡节点后的簇半径，使无线传感器网络动态分簇更加合理，实现了网络能耗均衡、避免出现能量空洞的目的；具有方法科学合理，高效，低能耗，能够延长无线传感器网络生命周期等优点。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态分簇的无线传感器网络簇建立方法，其特征是：包括以下方法，且以下步骤顺次进行：步骤一、簇头选取当网络没有死亡节点时，的簇头选取概率如下：其中，P
n
‑1表示网络没有出现死亡节点时第n个节点的簇头选取概率，n＝1,2,
···
,N，k表示簇头数目，N表示节点总数，为簇头占节点总数的比例，E
n
‑
res
为第n个节点的剩余能量，E
max
为节点的初始能量，为所有节点在上一轮中平均能量消耗，E
n
‑
con
为第n个节点在上一轮中的能量消耗，η1为节点分布密度的权重，可根据具体情况动态变化，取值范围为0＜η1＜1，默认情况取η1＝0.5，N
n
‑
neighbor
为第n个节点的邻居节点数目，N
alive
表示当前网络存活的节点数目，用来衡量网络节点分布疏密程度，d
BS
‑
MAX
为所有节点到基站距离的最大值，d
BS
‑
MIN
为所有节点到基站距离的最小值，d
n
‑
BS
为第n个节点到基站距离，p
min
为最小选举收敛概率；当网络有死亡节点时，网络出现死亡节点后的簇头选取概率表示为：其中，P
n
‑2表示网络出现死亡节点后第n个节点的簇头选取概率，n＝1,2,
···
,N；rate
n
‑
ND
表示为第n个节点的节点度的变化率；其中rate
n
‑
ND
的计算公式为：公式(2)中N
n
‑
R
为第n个节点在第R轮时的邻居节点数目，R≥2，N
n
‑
R...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建坡，何敏，王嘉骥，杨胜春，杨月华，王文婷，丁昱竹，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：