[發明專利]基于分簇優化的無線傳感器網絡拓撲控制算法

在審

• 申請號: 201810478839.4
• 申請日: 2018-05-15
• 公開（公告）號: CN110493797A
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 魏永紅;于艷帆;石梅
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W40/32;H04W84/18;H04L12/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于分簇優化的無線傳感器網絡拓撲控制算法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：構建基于匯聚節點作為中心節點的樹型結構無線傳感器網絡模型；

步驟2：網絡拓撲分簇過程。首先，匯聚節點發起簇頭(ClusterHead)選取過程，發送建立鄰節點消息，在確定其鄰節點集合后，匯聚節點依據相應的規則從鄰節點集合中選擇部分節點作為源簇頭(指由Sink節點發起并確定的簇頭節點)，并向這些源簇頭發送建立簇頭消息，同時設置好前后繼關系；其次，源簇頭并行向網絡發送建立鄰節點消息，確定各自的鄰節點集合后，按照與源簇頭相同的選取原則確定新的簇頭；新選舉的簇頭重復上述過程，直至完成整個網絡的分簇(Cluster)；

步驟3：簇內拓撲優化過程。簇頭利用最小生成樹算法按到達最遠鄰居節點的發射功率向簇內節點發送簇內優化消息，收到消息的節點確定自身鄰節點關系，調整各自發射功率為到達最遠鄰節點的功率。簇內優化后，刪除鄰節點之間冗余通信鏈路，減少通信的碰撞與干擾，降低了能耗；

步驟4：網絡拓撲維護過程。簇頭節點在運行中由于數據處理、轉發頻繁，能量消耗較快，因此，需設置一個能量門限值M，當簇頭能量降到M時該簇頭發起簇頭重選工作。簇頭首先檢查自己最近鄰居節點和其前驅后繼的可達性；當可達性滿足時，則選此節點為新簇頭節點并改變前驅后繼信息。若不滿足可達性，則選次近鄰居節點，依次類推直到找到合適的節點或鄰節點集合選擇完畢。最壞的情況是，簇頭的鄰節點集中沒有與前后繼簇頭可通信的節點，此簇將形成孤立簇，當此種情況達到一定限度后Sink發起全網簇頭重建工作。

2.根據權利要求1所述的基于分簇優化的無線傳感器網絡拓撲控制算法，其特征在于：所述步驟2中每個簇的后繼簇數計算公式為

其中，CluNode表示簇數，n為某簇內節點數。

3.根據權利要求1所述的基于分簇優化的無線傳感器網絡拓撲控制算法，其特征在于：所述步驟3中無線傳感器節點收發數據能耗計算公式為：

E_tx(h，d)＝he₁+he₂d²

E_rx(h，d)＝he₁

其中，e₁為無線收發電路能耗；e₂為自由空間模型放大器的能耗；d為數據傳送距離；h為要發送或接收數據的比特位數。

4.根據權利要求1所述的基于分簇優化的無線傳感器網絡拓撲控制算法，其特征在于：所述步驟3中計算從簇頭到簇內任一節點能耗最小的通信鏈路過程中，需利用相鄰節點間鏈路通信的綜合權值，該權值計算公式為：

其中，d(i，j)為兩節點之間的距離；e_i、e_j分別為傳感器節點的剩余能量；a、b為預設指數。權值由d(i，j)、兩部分決定，分別反映兩節點之間的功耗大小和鏈路的健壯情況。