基于節點等級的異構網絡自適應分簇算法制造技術

本發明專利技術涉及異構網絡領域，特別是基于節點等級的異構網絡自適應分簇算法.本發明專利技術的構思是：網絡按輪運行，每輪包括自適應分簇、簇頭選舉及簇建立、數據傳輸三階段。自適應分簇階段，利用信標節點或錨節點將網絡監測區域分為若干子區域，根據每輪子區域內節點數目對相應子區域細化或合并，使每個子區域內節點數目在一個合理范圍內.每個子區域內的節點自成一簇。簇頭選舉及簇建立階段選舉簇內等級最高的節點為簇頭；節點等級由節點剩余能量、能量消耗速率、到基站的距離、到簇內其他節點的距離綜合決定。數據傳輸階段簇頭匯總、融合簇內其余節點信息后上傳給基站。本發明專利技術分簇合理均勻，能較好均衡節點能量消耗、延長網絡壽命、提高網絡數據吞吐量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及異構自組織網絡的
，特別是基于節點等級的異構網絡自適應分簇算法。
技術介紹
異構網絡是指由多種不同類型節點構成的網絡，其異構性可體現在能量、感知能力、計算能力、通信能力、鏈路和網絡協議等諸多方面，其網絡模型更接近于實際應用。在現實生活中，異構網絡幾乎無處不在。比如當前的一個研究熱點——物聯網就是一種典型的異構網絡。在農業生產中，對農作物的生長環境調查可能需要能感知溫度、濕度、光強的多種傳感器。不同傳感器具有不同的初始能量，能量消耗速率也不同，且需要感知收集和分發的數據包亦不同，從而構成一個異構網絡。因此異構網絡具有十分重要的理論研究價值和工程應用價值。異構網絡與大多數傳感器網絡一樣，仍面臨節點能量有限且不能補充的問題，如何利用有限的節點能量延長網絡壽命仍是異構網絡亟需解決的問題。分簇技術將網絡劃分為若干個簇，每個簇由一個簇頭和若干成員節點組成。成員節點將監測信息發送給簇頭，由簇頭平均分擔中繼業務，將成員節點的信息融合處理后發送給基站。分簇技術能均衡節點的能量消耗，延長節點存活時間，因此是目前降低節點能耗和延長網絡壽命的一種重要途徑。目前根據簇頭數目是否確定可將異構網絡分簇算法分成固定簇頭算法和周期簇頭選舉算法兩大類：(1)固定簇頭算法：該類算法的設計思路是在網絡初始化時將初始能量高的節點設置為簇頭，其他普通節點根據不同的成簇算法加入到不同的族中，普通節點一般只負責收集環境信息，消耗能量較小，并將數據在特定的時刻直接發送給簇頭，簇頭收到數據進行融合后，再通過單跳或多跳的方式直接或者間接的發送給基站。該類算法的設計思路充分利用了高能異構節點，能較大程度延長網絡壽命，但存在一定的局限性，比如網絡拓撲形成后很難再次改變，高能簇頭的數量都是固定的，大大降低網絡的動態自組織性和健壯性等。此外，在異構網絡中，往往存在初始能量高同時能量消耗也快的節點，從網絡整體性能來看，這類節點并不是簇頭的最佳選擇。(2)周期簇頭選舉算法：該類算法的設計思路是采用輪詢的方式，網絡每一輪從所有的節點中重新選取簇頭，可以控制每個節點當選簇頭的概率。簇頭的當選需要考慮它的能量、通信和計算能力、魯棒性強弱等因素等。該類算法的典型代表有：LEACH-C算法(參考文獻[1]：HeizelmanWR，ChandrakasanA，BalakrishnanH.Energy-efficientCommunicationprotocolforwirelessmicrosensornetworks[A].Proceedingsofthe33rdHawaiiInt’1ConfonSystemSciences(HICSS’00)[C].2000：1-10.)、DEEC算法(參考文獻[2]：卿利，朱清新，王明文.異構傳感器網絡的分布式能量有效成簇算法[J].軟件學報，2006，17(3)：481-489)、SEP算法(參考文獻[3]：SmaragdakisG，MattaI，BestavrosA.SEP：Astableelectionprotocolforclusteredheterogeneouswirelesssensornetworks[C].In：Proc.oftheInt’1WorkshoponSANPA2004.)、EEHC算法(參考文獻[4]：KumarD，AseriTC，PatelRB.EEHC：Energyefficientheterogeneousclusteredschemeforwirelesssensornetworks[J].ComputerCommunications，2009，32(4)：662-667)。該類算法的性能普遍較固定簇頭算法好，但仍存在一些問題。比如LEACH-C算法是在基于同構網絡分簇算法LEACH改進的，主要體現在每輪中的簇頭選取不再是隨機選取，而是通過控制閥值的方式，只有當節點的結果值(一種和剩余能量有關的計算值大于閥值時)此節點才能當選為簇頭，否則重新進行選取。由于僅考慮節點剩余能量，仍存在簇頭數目不合理，簇頭分布不均，節點能耗不均等問題。DEEC算法是針對多級異構網絡的一般性設計，其設計思想是讓剩余能量高的節點有更大的概率當選簇頭，從一定程度上均衡了網絡節點能耗，延長了網絡壽命，但未考慮節點的通信距離及不同節點的能量消耗速率。在異構網絡中，存在剩余能量大同時能量消耗也快的節點，從網絡整體性能來看，這類節點并不是簇頭的最佳選擇。SEP算法能很好的適用于二級異構網絡，但不能擴展到多級異構。EEHC算法在簇頭選舉時考慮了網絡異構情況下節點初始能量的相對大小，但未考慮異構節點能量消耗速率的不同。綜上所述，分簇技術是目前均衡網絡節點能耗和延長網絡壽命的一種有效途徑，現有異構網絡分簇算法多數參考節點剩余能量進行簇頭選擇，從一定程度上延長了網絡壽命，但在實際應用網絡中，存在剩余能量大同時能量消耗速率也大的節點，從網絡整體性能來看，這類節點并不是簇頭的最佳選擇。同時，節點能耗與通信距離成正比，減小通信距離亦是降低節點能耗的一條有效途徑。綜述所述，僅參考節點剩余能量進行簇頭選擇不是最合理的，需結合實際網絡綜合考慮多種因素，如節點能量消耗速率，通信距離等進行簇頭選擇，提出一種更適用于異構網絡的分簇算法。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出基于節點等級的異構網絡自適應分簇算法，解決現有分簇方法中簇頭數目不合理，簇頭分布不均，簇規模差異較大的問題，均衡網絡節點能耗，延長網絡壽命，提高網絡數據吞吐量。為了達到上述目的，本專利技術的構思是：網絡按輪運行，每輪包括自適應分簇、簇頭選舉及簇建立、數據傳輸三階段。自適應分簇階段，利用信標節點或錨節點將網絡監測區域分為若干子區域，根據每輪子區域內節點數目對相應子區域細化或合并，使每個子區域內節點數目在一個合理范圍內。每個子區域內的節點自成一簇。簇頭選舉及簇建立階段選舉簇內等級最高的節點為簇頭，其余節點為成員節點；節點等級由節點剩余能量、能量消耗速率、到基站的距離、到簇內其他節點的距離綜合決定。數據傳輸階段簇頭匯總、融合簇內成員節點信息后上傳給基站。本專利技術分簇合理均勻，能較好均衡節點能量消耗、延長網絡壽命、提高網絡數據吞吐量。基于上述構思，本專利技術采用如下技術方案：1.基于節點等級的異構網絡自適應分簇算法，適用對象為異構網絡，包括基站、節點以及所述基站和節點所在的網絡監測區域；所述節點是異構節點，所述異構節點的異構性體現為能量異構，異構節點的初始能量和能量消耗速率不同，同構節點的初始能量和能量消耗速率相同；所述節點的初始能量大于零，能量消耗速率在節點生命周期內恒定；當節點能量小于等于零時，表明該節點死亡，死亡節點永久退出網絡；所述節點之間、節點與基站之間的通信按輪次周期性依次進行；每輪分為初始階段和穩定工作階段；初始階段，通過安置的信標節點或錨節點將所述網絡監測區域劃分為若干子區域，并監測子區域內的節點數目，每個子區域中所有節點自成一簇，并選舉出簇頭；非簇頭節點即為成員節點，與簇頭組成簇；簇頭和成員節點可相互轉換；穩定工作階段，成員節點將監測信息發送給本簇簇頭，由簇頭匯總、融合后發送給基站，其特征在于：在每個所述輪次，根據子區域內所述節點數目變化對網絡實現自適應分簇，即根據每個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于節點等級的異構網絡自適應分簇算法，適用對象為異構網絡，包括基站、節點以及所述基站和節點所在的網絡監測區域；所述節點是異構節點，所述異構節點的異構性體現為能量異構，異構節點的初始能量和能量消耗速率不同，同構節點的初始能量和能量消耗速率相同；所述節點的初始能量大于零，能量消耗速率在節點生命周期內恒定；當節點能量小于等于零時，表明該節點死亡，死亡節點永久退出網絡；所述節點之間、節點與基站之間的通信按輪次周期性依次進行；每輪分為初始階段和穩定工作階段；初始階段，通過安置的信標節點或錨節點將所述網絡監測區域劃分為若干子區域，并監測子區域內的節點數目，每個子區域中所有節點自成一簇，并選舉出簇頭；非簇頭節點為成員節點，與簇頭組成簇；簇頭和成員節點可相互轉換；穩定工作階段，成員節點將監測信息發送給本簇簇頭，由簇頭匯總、融合后發送給基站，其特征在于：在每個所述輪次，根據子區域內所述節點數目變化對網絡實現自適應分簇，即根據每個子區域內所述節點數目對相應子區域進行合并或細分，直到合并或細分后的子區域內節點數目符合一定要求；自適應分簇完畢后，在每個所述子區域內，根據每個所述節點在本輪次的剩余能量、能量消耗速率、該節點到簇內其它節點的距離平方和、該節點到所述基站的距離的平方，計算每個所述節點在本輪次的等級，選舉等級最高的節點為本輪次本簇的簇頭。...

【技術特征摘要】
1.基于節點等級的異構網絡自適應分簇算法，適用對象為異構網絡，包括基站、節點以及所述基站和節點所在的網絡監測區域；所述節點是異構節點，所述異構節點的異構性體現為能量異構，異構節點的初始能量和能量消耗速率不同，同構節點的初始能量和能量消耗速率相同；所述節點的初始能量大于零，能量消耗速率在節點生命周期內恒定；當節點能量小于等于零時，表明該節點死亡，死亡節點永久退出網絡；所述節點之間、節點與基站之間的通信按輪次周期性依次進行；每輪分為初始階段和穩定工作階段；初始階段，通過安置的信標節點或錨節點將所述網絡監測區域劃分為若干子區域，并監測子區域內的節點數目，每個子區域中所有節點自成一簇，并選舉出簇頭；非簇頭節點為成員節點，與簇頭組成簇；簇頭和成員節點可相互轉換；穩定工作階段，成員節點將監測信息發送給本簇簇頭，由簇頭匯總、融合后發送給基站，其特征在于：在每個所述輪次，根據子區域內所述節點數目變化對網絡實現自適應分簇，即根據每個子區域內所述節點數目對相應子區域進行合并或細分，直到合并或細分后的子區域內節點數目符合一定要求；自適應分簇完畢后，在每個所述子區域內，根據每個所述節點在本輪次的剩余能量、能量消耗速率、該節點到簇內其它節點的距離平方和、該節點到所述基站的距離的平方，計算每個所述節點在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：肖瑋，涂亞慶，張磊，劉波，
申請(專利權)人：中國人民解放軍后勤工程學院，
類型：發明
國別省市：重慶;50