[發明專利]基于聚類和模糊系統的無線傳感器網絡分簇路由協議方法

有效

• 申請號: 201810409077.2
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108770029B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 李冬輝;李林;鄭博文
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/04;H04W40/10;H04W84/18;H04L12/715
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

本發明涉及一種基于聚類和模糊系統的無線傳感器網絡分簇路由協議方法，采用K?means++聚類算法通過迭代將網絡分為k個最優的固定簇，首輪簇頭由匯聚節點通過模糊系統計算各個節點的優先度，排序后指定簇內優先度最大的節點為簇頭節點；隨后每輪開始，簇頭節點記錄簇內節點距離和能量信息，通過模糊系統計算優先度，排序后將優先度最大的作為下輪簇頭。本發明設計合理，其僅在第一輪時參與簇頭選舉，之后簇頭選舉便分布式運行，每輪的簇頭節點可以直接決定下輪簇頭的節點ID，無需簇內節點與匯聚節點直接通信，大大降低了能耗，提高了網絡性能。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡技術領域，尤其是一種基于聚類和模糊系統的無線傳感器網絡分簇路由協議方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由大量部署在監測區域內的廉價微型傳感器節點組成，通過無線網絡傳輸方式形成的一個多跳的自組織、自適應的智能網絡系統，其目的是合作地感知、收集并處理網絡覆蓋區域的信息并發送給管理者。由于傳感器節點計算能力、電源能量和通信能力等資源有限，同時又具有網絡規模大、自組織等特性，因此實現網絡的能量有效利用、延長其網絡生存時間是一個很大的挑戰。

在WSN中采用分簇路由協議可以顯著降低網絡功耗，平衡節點之間的能量消耗，延長網絡的生存時間。分簇路由協議是將網絡中的節點分成若干個簇，每個簇中選舉出一個特殊的節點，此節點叫做簇頭。簇頭節點收集本簇內的其他節點接收到的信息，通過計算將數據融合后傳送給匯聚節點,通常匯聚是擁有豐富的計算和能量資源的節點，其將數據處理后通過互聯網或者衛星等傳輸給云服務器或者終端用戶。通過這樣的方式，每輪僅簇頭節點需要與匯聚節點通信，采用合適的分簇路由協議便可以大大降低能耗，但是，現有集中式協議需要匯聚節點決定每輪的簇頭，每輪需要和節點直接通信，而分布式的協議需要節點自己計算，必須采取簡單的協議，而又很難保證網絡的性能。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種設計合理、能耗低且性能穩定的基于聚類和模糊系統的無線傳感器網絡分簇路由協議方法。

本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：

一種基于聚類和模糊系統的無線傳感器網絡分簇路由協議方法，包括以下步驟：

步驟1、匯聚節點采用聚類算法通過迭代將無線傳感器網絡分為k個最優的固定簇；

步驟2、匯聚節點用基于模糊系統的分簇算法計算出模糊規則，將模糊規則以及每個節點自身的節點到匯聚節點的距離D^tos、節點到簇的中心點的距離D^toc和所屬的簇的編號分發給每個節點；

步驟3、首輪匯聚節點通過模糊系統計算出每個簇中簇頭的優先度P^choose的最大值，擁有最大簇頭的優先度P^choose的節點為所在簇的簇頭，匯聚簇頭將節點ID以及對應簇的編號廣播，節點識別出并記錄所在簇的簇頭ID；

步驟4、簇內通信采用TDMA方式，簇頭節點給各個簇內節點分配時隙，每輪最后一個時隙空出，用來廣播下輪簇頭的節點ID；簇內節點在自己的時隙內將自己的剩余能量、匯聚節點的距離D^tos、節點到簇的中心點的距離D^toc和采集的數據發送給簇頭，簇頭接收、融合簇內節點采集的數據，處理后將數據包轉發給匯聚節點；

步驟5、簇頭節點在完成本輪簇內節點數據傳輸后，將收到的簇內各節點的剩余能量歸一化，計算節點的剩余能量E^res，采用模糊系統計算出最大簇頭的優先度P^choose，找出最大的P^choose的節點ID，作為下一輪簇頭，并將其廣播；

步驟6、網絡正常工作時，重復步驟4和步驟5；