一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法技术

本发明专利技术公开了一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法，包括以下步骤：步骤一，网络初始化配置；步骤二，上位机中间件构建WSN环境模型；步骤三，上位机中间件分析模拟信息；步骤四，运行期间簇头变化。本发明专利技术通过基站连接到的上位机中间件的调控来改善并且延长WSN网络的整体生存周期，并且提高网络的整体可扩展性以及可操控性，由于绕开了可能导致空洞的区域中的节点，增大了网络的覆盖半径的持久性、以及规避了热区效应。并且可以随机加入或者移动或者离开节点，比传统算法大大提到了可扩展性。本发明专利技术传统的算法均大多属于被动式簇头自行选举算法。此外，本发明专利技术减少了路由表的负载，简化了路由表，延长了网络的整体寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法
本专利技术属于无线传感器网络路由的分簇
，尤其涉及一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法。
技术介绍
无线传感器网络简称WSN(WirelessSensorNetworks)中的传感器节点一般来说是由能量十分有限的电池供电，而且在部署后基本上不能再次补充能量，因此WSN网络中存在着一个严重的能量约束的问题，所以，对于WSN网络协议设计的首要目标就是要高效地使用每一个传感器节点的能量，从而延长网络的节点的存活时间，这个多学科交叉的研究方向一直都是针对该领域研究的一个热点问题。在分簇型结构的无线传感器网络中，网络中的各个节点被按照区域范围划分成为簇区，每一个簇一般由一个簇头节点(CH)和多个成员节点(MN)组成，在每个簇区下的各个节点只通过簇头节点与基站通信，各簇头间的网络，负责簇区内各节点的数据的融合和簇头间数据的转发，因此，各个簇头节点的能量消耗较大，所以要优化簇头选择算法来延长其寿命，提高网络的整体生命周期，虽然采用分簇结构更有利于节约能量，但是这种做法可能引起一个能量消耗不均衡的问题：由于簇区内所有节点均通过簇头节点转发数据通信，导致通信频率严重不均衡，使得簇头节点比簇区内其它节点更加早的耗尽能量，使得该簇区内的节点由于丢失簇头而无法通信，这就是“热区”问题的原因，由于WSN节点中的发、收信机一般都是采用传统的中频和射频电路或者UWB技术，复杂环境中的存在的障碍物使得簇头节点之间的信号无法通过直射路径到达对方的节点，从而使信号经历了更多的衰减，甚至无法到达，该类节点之间通信必须付出较大的能耗代价，因此NLOS(NonLineofSight)传播方式对数据传输的影响最为严重，要提高复杂环境内的数据传输精度与节点电池的寿命，就必须研究如何避免和消除NLOS传播造成的影响。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法，旨在解决现有无线传感网络的热区问题，与因为NLOS的能量消耗不均匀导致的病态簇的问题。本专利技术实施例是这样实现的，一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法，该基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法包括以下步骤：步骤一，网络初始化配置；步骤二，上位机中间件构建WSN环境模型；步骤三，上位机中间件分析模拟信息；步骤四，运行期间簇头变化。进一步，在步骤一中，网络初始化的配置中采用WSN网络部署算法。进一步，WSN网络部署算法具体步骤为：网络在部署后，基站汇聚节点向全网广播初始化信息，各节点计算所有其相对坐标发回基站‘其中Nreceive为节点接收到信号的强度，Nsend为节点发出信号的强度，r为节点通信半径；其中x是临近未知节点位置，ei该第i节点的位置，ai是一个常数，si是接收到的信号强度。进一步，在步骤二中，将计算结果连同节点能量值发送回汇聚节点，数据融合后发送回基站，基站数据融合后发给上位机中间件得到相对坐标后，构造出虚拟的封闭区域模型。进一步，在步骤四中，运行期间簇头变化具体步骤为：第一步，中间件执行簇头选择分析算法，尽量绕开可能导致“空洞”的区域采用障碍物的预测法；从而提前使数据包绕开空洞边界内的节点，减少空洞发生的概率，提高通信分组到达率，最后用模拟退火算法进行候选节点优化；第二步，如果没有邻近节点可以绕过，必须选择处于导致空洞的区域的节点，则使该区域的节点尽量只担当一次簇头；第三步，分簇算法执行完以后，如果没有邻近节点可以绕过，必须选择处于导致空洞的区域的节点，则使该区域的节点尽量只担当一次簇头，中间件在模拟WSN中执行LEACH算法，将其模拟出的簇头标记为候选簇头，将分析出的NLOS节点，能量大于阈值的候选簇头指定成为簇头，从而规避了热区与NLOS，由基站进行全网广播任命簇头；第四步，当簇头节点检测到自身剩余能量达到能量阈值则向基站发送消息MSG_CLUSTER_EMPTY，基站计算机执行算法重新分析封闭区域模型和能量选择算法，并选出替代簇头；第五步，基站向全网广播免除原发送ID的簇头将其降级为普通节点，并任命新选出的预选簇头；第六步，如果簇头由于物理原因突然死亡，基站在一个通信周期内没有收到该簇头来的数据包，则发送MSG_ISALIVE信息给该簇头，若在一个给定时间段没有收到该簇头发来的MSG_ALIVE信息和ID，则在该分簇的局部封闭空间的模型区域内分析并任命新选出的簇头；第七步，当该WSN网络中内加入新节点或者已存在的节点离开、节点移动，只需发送MSG_JOIN或者MSG_LEAVE、MSG_MOVE消息以及ID给基站计算机，基站计算机自动重新构建该节点的局部封闭空间的模型，并且根据实际情况判断是否重选该局部的簇头。进一步，在第三步中，障碍物的预测法的具体算法为；定义：假设a，b，c为3个相邻节点，其中RSSIab(a节点与b节点之间的信号强度)，RSSIac(a节点与c节点之间的信号强度)，RSSIbc(b节点与c节点之间的信号强度)。解此齐次线性方程组，可以得出a，b，c三个邻居节点间的通信距离；根据三角形特性，如果L1＞L2+L3，即两边之和小于第三边。则表示a节点与b节点之间可能存在障碍。进一步，在第三步中，模拟退火算法进行候选节点优化的步骤为：覆盖区域Coverage(Fa)中的Fa为：Fa＝1-exp(-Nd×π×Rn2)，Fa∈[0，1]其中：Nd＝节点密度，π＝3.14，Rn为节点通信半径。本专利技术提供的基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法，通过基站连接到的上位机中间件的调控来改善并且延长WSN网络的整体生存周期，并且提高网络的整体可扩展性以及可操控性，由于绕开了可能导致空洞的区域中的节点，增大了网络的覆盖半径的持久性、以及规避了热区效应。并且可以随机加入或者移动或者离开节点，比传统算法大大提到了可扩展性。本专利技术传统的算法均大多属于被动式簇头自行选举算法，本专利技术提出一种新颖的主动任命式算法，将本来由各节点承担的工作交由有源的基站计算机来进行模拟分析。此外，本专利技术因此大大的减少了路由表的负载，简化了路由表，使得路由的额外开销微乎其微，延长了网络的整体寿命。附图说明图1是本专利技术实施例提供的节点路由信号树(SRT)构造过程的示意图；图2是本专利技术实施例提供的障碍预测法示意图；图3是本专利技术实施例提供的未知封闭环境的2D平面简化模型示意图；图4是本专利技术实施例提供的簇头与障碍物之间NLOS示意图；图5是本专利技术实施例提供的AAOCH算法的状态切换示意图；图6是本专利技术实施例提供的AAOCH算法的中间件WSN网络初始化流程示意图；图7是本专利技术实施例提供的AAOCH算法的候选簇头切换流程示意图；图8是本专利技术实施例提供的AAOCH算法的正常运行阶以及段异常状态切换流程示意图；图9是本专利技术实施例提供的500个随机节点的示例图；图10是本专利技术实施例提供的500个随机节点路由路径示例图；图11是本专利技术实施例提供的三种网络节点存活率比较的仿真结果示意图；图12是本专利技术实施例提供的三种网络通信性能比较的仿真结果示意图；图13是本专利技术实施例提供的WSN网络初始化部署时间开销的示意图；图14是本专利技术实施例提供的WSN网络初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法，其特征在于，该基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法包括以下步骤：步骤一，网络初始化配置；步骤二，上位机中间件构建WSN环境模型；步骤三，上位机中间件分析模拟信息；步骤四，运行期间簇头变化。

【技术特征摘要】
1.一种基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法，其特征在于，该基于主动规避热区和NLOS的无线传感器网络分簇方法包括以下步骤：步骤一，网络初始化配置；步骤二，上位机中间件构建WSN环境模型；步骤三，上位机中间件分析模拟信息；步骤四，运行期间簇头变化，具体步骤为：第一步，中间件执行簇头选择分析算法，尽量绕开可能导致“空洞”的区域采用障碍物的预测法；从而提前使数据包绕开空洞边界内的节点，减少空洞发生的概率，提高通信分组到达率，最后用模拟退火算法进行候选节点优化；第二步，如果没有邻近节点可以绕过，必须选择处于导致空洞的区域的节点，则使该区域的节点尽量只担当一次簇头；第三步，分簇算法执行完以后，中间件在模拟WSN中执行LEACH算法，将其模拟出的簇头标记为候选簇头，将分析出的NLOS节点，能量大于阈值的候选簇头指定成为簇头，从而规避了热区与NLOS，由基站进行全网广播任命簇头；第四步，当簇头节点检测到自身剩余能量达到能量阈值则向基站发送消息MSG_CLUSTER_EMPTY，基站计算机执行算法重新分析封闭区域模型和能量选择算法，并选出替代簇头；第五步，基站向全网广播免除原发送ID的簇头将其降级为普通节点，并任命新选出的预选簇头；第六步，如果簇头由于物理原因突然死亡，基站在一个通信周期内没有收到该簇头来的数据包，则发送MSG_ISALIVE信息给该簇头，若在一个给定时间段没有收到该簇头发来的MSG_ALIVE信息和ID，则在该分簇的局部封闭空间的模型区域内分析并任命新选出的簇头；第七步，当该WSN网络中内加入新节点或者已存在的节点离开、节点移动，只需发送MSG_JOIN或者MSG_LEAVE、MSG_MOVE消息以及ID给基站计算机，基站计算机自动重新构建该节点的局部封闭空间的模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：何月顺，邓易偲，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：