[發(fā)明專利]一種基于不等分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合收集方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610909105.8
• 申請日: 2016-10-19
• 公開（公告）號: CN107969007B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉安豐;張琦;曾志文
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H04W16/20
• 分類號: H04W16/20;H04W16/22;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于不等分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合收集方法，其特征在于，在對網(wǎng)絡(luò)分簇時，使遠(yuǎn)離基站區(qū)域的簇半徑大于近基站區(qū)域的簇半徑，每一個簇頭節(jié)點在完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)聚合后，立即開始該簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸；

其中，簇半徑按照以下公式進(jìn)行設(shè)置：

上述公式滿足以下兩個條件：

(1)(2)且當(dāng)T_u取得最小值時；

其中，n_h＝Δ_h為簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)，h為簇的層數(shù)，r_k為第k層簇的簇半徑，d_k表示第k層簇頭節(jié)點的子節(jié)點的度，ρ為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器密度，T_u表示傳感器網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)融合所需時間；

每相鄰兩層簇頭節(jié)點間的度都相等為d，且則最優(yōu)不等簇半徑的優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為最小化T_u，且滿足如下條件：

通過以下步驟計算出優(yōu)化的分簇結(jié)構(gòu)，對不等簇半徑進(jìn)行優(yōu)化：

步驟1：初始化傳感器網(wǎng)絡(luò)；

設(shè)定傳感器網(wǎng)絡(luò)中不等簇半徑集合r_o為空集以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合收集時間T_o為無窮大，n_h＝1；

步驟2：依據(jù)簇半徑公式計算最優(yōu)不等簇半徑：

其中，θ_j表示第j-1層節(jié)點成為第j層簇頭節(jié)點的個數(shù)；

最外兩層的不等簇半徑為：且r_set＝{r_h,r_h-1}；

步驟3：執(zhí)行操作r_set＝r_set∪r_j,j＝j(luò)+1后，判斷r_totalR是否成立，若成立則返回步驟2，直到不成立時，轉(zhuǎn)入步驟4；

步驟4：計算當(dāng)前不等簇半徑對應(yīng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合時間，T_u＝n_h+jd+d₀；

步驟5：判斷T_uT_o是否成立，如果成立，則將當(dāng)前的T_u賦值給T_o，當(dāng)前的r_set賦值給r_o，令n_h＝n_h+1，判斷n_h是否大于若大于，則以最優(yōu)不等簇半徑的當(dāng)前計算值作為不等簇半徑，若不大于，則返回步驟2；

在計算出不等簇半徑之后，依據(jù)優(yōu)化的不等簇半徑序列對網(wǎng)絡(luò)成簇，不等簇半徑的成簇具體如下：

首先，根據(jù)不等簇的半徑序列對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，再逐層對其進(jìn)行分簇；在每一層中，找到其中心線，對于當(dāng)前層中的每一個節(jié)點，計算其與此層一跳內(nèi)的節(jié)點的能量剩余比率，然后根據(jù)其距離中心線的距離和能量剩余比率作為自己競爭簇頭的權(quán)值，計算公式為：其中Dist_p表示p節(jié)點距離sink的距離，E_ratio表示其與周圍一跳節(jié)點的剩余能量比率；α₁和α₂為影響因子，根據(jù)環(huán)境設(shè)定；D_i表示第i層簇頭節(jié)點距離基站的距離；p以W_p作為自己競爭簇頭的權(quán)值，W_p越小，p廣播簇頭消息的優(yōu)先級越高；離中心線越近，剩余能量越高的節(jié)點，競爭簇頭的優(yōu)先級越高，即廣播簇頭消息的時隙越早；一個節(jié)點在其廣播時隙達(dá)到時，如果仍未收到任何節(jié)點發(fā)送來的廣播簇頭消息，則自己標(biāo)識為簇頭，以此層的半徑作為傳輸半徑廣播自己的簇頭消息；當(dāng)一個節(jié)點的廣播時隙達(dá)到之前，收到其他節(jié)點發(fā)過來的簇頭消息后，則應(yīng)先取消自己的競選簇頭事件，然后選擇距離自己最近的一個簇頭加入；

最后，對數(shù)據(jù)收集的簇間調(diào)度，主要分為如下幾個階段：

(1)不等簇半徑成簇階段；在依據(jù)優(yōu)化的不等簇半徑序列對網(wǎng)絡(luò)成簇后，得到成簇后的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如每個簇頭的度每層簇頭最大的簇內(nèi)度的系列Δ＝{Δ₁,Δ₂,...Δ_h}；

(2)簇間度的重新調(diào)整與填充；

(A)簇間度的調(diào)整：

①加前，即從序列的右邊向左邊掃描每層簇內(nèi)度組成的序列，對每一個數(shù)進(jìn)行如下的檢查與操作：如果當(dāng)前的數(shù)減去緊鄰自己右邊的數(shù)小于層間的度d，則當(dāng)前檢查的數(shù)為緊鄰右邊的數(shù)加上d＝4；

②提后，即對加前的結(jié)果從左到右掃描，對每一個數(shù)進(jìn)行如下檢查與操作：如果當(dāng)前的數(shù)據(jù)減去緊鄰自己右邊的數(shù)的值大于層間的度d，則將緊鄰自己右邊的數(shù)據(jù)用當(dāng)前的數(shù)減去d來替換；

(B)補充虛擬的簇間度：

如果調(diào)整后簇內(nèi)的度大于調(diào)度前的度，那么就需要補充虛擬的度來使同一層簇頭節(jié)點的簇內(nèi)度相等；設(shè)第i層簇頭節(jié)點的集合ξ_i，調(diào)整后第i層簇頭節(jié)點的簇內(nèi)度為Δ_i，用表示第i層的簇頭節(jié)點k，其簇內(nèi)度為Δ_i,k；那么補充虛擬的節(jié)點的原則為：如果Δ_i,kΔ_i，那么建立虛擬的節(jié)點個數(shù)為τ_i,k＝Δ_i-Δ_i,k；所有的虛擬節(jié)點到簇頭節(jié)點距離為無窮小的距離ε，而且只產(chǎn)生一個鏈路不會對除了之外的任何節(jié)點產(chǎn)生干擾；而且為虛擬節(jié)點的邊賦予最高的調(diào)度優(yōu)先級，即只要有虛擬節(jié)點存在于簇內(nèi)，那么首先調(diào)度虛擬節(jié)點；

(3)調(diào)度；在每一時隙t到來時，首先為每一個簇隨機選擇一個簇內(nèi)節(jié)點作為數(shù)據(jù)發(fā)送者，將所有數(shù)據(jù)發(fā)送者與其所在簇的簇頭節(jié)點組成的邊放入邊的集合Ψ；然后對集合Ψ進(jìn)行沖突消除，直到集合Ψ中的每一條邊都沒有沖突干擾，這樣將集合Ψ中每一條邊的簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙安排在t時隙；

(4)在調(diào)度的過程中，最外層簇的簇內(nèi)數(shù)據(jù)首先完成，再進(jìn)行簇間數(shù)據(jù)的收集；當(dāng)某一個簇內(nèi)的數(shù)據(jù)全部收集完成后，那么此簇的簇頭節(jié)點w_j就尋找在簇頭的發(fā)送半徑內(nèi)的每一個內(nèi)層簇頭節(jié)點，將自己作為普通節(jié)點加入到每一個內(nèi)層簇頭節(jié)點w_k上，作為w_k的普通節(jié)點，并標(biāo)記自己到內(nèi)層簇頭節(jié)點邊的級別為最低級；節(jié)點有三種級別：虛擬節(jié)點，其優(yōu)先級最高，設(shè)級別為1；普通的簇內(nèi)真實節(jié)點，優(yōu)先級次之，設(shè)其級別為2；外層已經(jīng)進(jìn)行完數(shù)據(jù)收集的簇頭節(jié)點，加入緊鄰的內(nèi)層簇頭作為普通節(jié)點，其優(yōu)先級最低，設(shè)其優(yōu)先級為3。