[發明專利]一種基于公平性和能耗速率的傳感器網絡分簇方法

在審

• 申請號: 201910338220.8
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110225567A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 冉靜;董金瑋;劉元安;胡鶴飛;袁東明;黎淑蘭
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于公平性和能耗速率的傳感器網絡分簇方法，其特征在于，包括：

在工廠、車間、加油站等監控傳感器網絡中，模擬能量異構傳感器網絡場景，建立網絡拓撲結構。

根據所述網絡拓撲結構，基于傳感器網絡能耗模型，設計了考慮節點能耗速率與公平性的簇首選擇方案，

根據設計的簇首選擇方案，提出非簇首節點參考相對距離進行成簇的這一方法。

根據遠區Sink傳感器網絡場景，提出基于遺傳算法改進的簇間多跳傳輸策略，并針對簇首數量較多的傳感器網絡，提出簇間傳遞與區域相結合的方式進行傳輸。

2.根據權利要求1所述的網絡拓撲結構，其特征在于，部署n個傳感器節點在網絡中，隨機分布在M×M(單位：m)區域，網絡中有唯一的Sink。部署之后是靜止的，節點死亡表示節點能量耗盡，沒有其他突然發生的因素。節點只是能量異構，在處理和傳輸能力等方面均相同，節點在部署之后無需人為的干預，全部自組織成網絡，且均部署唯一的標示(ID)。Sink知道每個節點的位置、狀態、標示等相關信息，Sink能量是可以補充的，無限供應的。簇內成員節點負責數據的采集和向簇首節點的發送，簇首除了采集信息之外，還兼有匯集、中繼等功能。簇首向周圍廣播信息，可以根據節點的功率動態的調整自身通信半徑。

3.根據權利要求1所述的簇首選擇方案，其特征在于，在節點成為簇首的門限值中，加入節點能耗速率模型e^-λ，令λ＝ECP，即e^-ECP，ECP計算如下：

E₀表示節點的初始能量，E_r為節點當前輪r的剩余能量。它的物理意義表示節點能耗速率對傳感器網絡的影響呈負指數分布。

普通節點成為簇首門限值為：

高能節點成為簇首門限值為：

其中和中的r表示當前進行的輪數，P_nrm和P_adv表示普通節點和高能節點成為簇首的概率，為被選中節點的平均能量，計算如下：

其中表示Sink在遍歷到節點j時，該節點當前輪剩余的能量。公平性主要表現在開始階段相對于高能節點增加普通節點門限值使得普通節點成為簇首的概率增大。隨著網絡的增加，從被遍歷的第一個節點到第i個節點的平均值能量會降低，即普通節點成為簇首的機會降低，而高能節點門限值里的的隨著網絡的運行而增加，即高能節點成為簇首的機會增加，兼顧了普通節點和高能節點成為簇首的公平性。

4.根據權利要求1所述的相對距離，其特征在于，節點正式成為簇首之后，向周圍廣播CH_MSG信息，所有被廣播的非簇首節點根據接收到的信息強弱和相對距離系數選擇加入哪個簇，相對距離系數計算如下：

其中d(i,BS)為簇首節點i到基站BS(或Sink)的距離，d(j,i)表示非簇首節點j到簇首節點i的距離。非簇首節點如果同時接收到幾個簇首廣播的信息后，根據信號的強弱和較小的相對距離系數d_C選擇加入簇首，如果恰巧兩個簇首的d_C值相同，則隨機選取其中一個。這樣讓非簇首節點選擇離自己距離近，而相對距離BS或者Sink遠的簇首節點加入，可以使得距離BS近的簇首管理較少的節點，其能量除了用在收集簇內成員節點信息的同時，還有充足的能量用來轉發數據，而遠離BS的簇首節點管理較多的非簇首節點，讓其能量充分的用在收集成員節點信息上，采用這樣的思路用來均衡節點的能量消耗，可以使得傳感器網絡整體負載均衡。

5.根據權利要求1所述的基于遺傳算法改進的簇間多跳傳輸策略，其特征在于，針對遠區Sink傳感器網絡場景，在簇首收集完簇內成員節點信息往Sink或基站BS傳輸的路徑上，如何使網絡整體的能量消耗更少，是需要解決的問題。遺傳算法從全局的角度出發，覆蓋面大，考慮的更周全。在簇間傳輸的過程中從簇首和Sink全局角度出發，和遺傳算法相結合，利用遍歷簇首的方式進行簇間多跳傳輸。并針對大規模的傳感器網絡，利用遍歷簇首與節點的位置區域相結合的策略來提高方法的可擴展性與魯棒性。

6.根據權利要求5所述的基于遺傳算法改進的簇間多跳傳輸策略，其特征在于，簇首和基站(或Sink)集合假設表示V＝{v₁,v₂...v_n,v_n+1}，用Link表示簇首i與簇首j之間是否有鏈路關系：

在簇間傳輸的過程中，如果簇首i和簇首j有鏈路關系，則Link_ij為1，否則為0。

在Sink運行基于遺傳算法簇間傳輸策略時，采用十進制整數編碼的方式對選出的簇首節點進行編碼，設置一定規模的初始種群。計算遺傳算法的適應度函數，適應度函數的設計應考慮簇間傳輸的能耗，根據能耗模型適應度函數公式設計如下：

其中β的值是協調系數，一般情況下取1，可以通過調整值的大小來控制種群的適應度情況。E_total表示基站運行虛擬拓撲算法計算簇首間往基站信息發送、接收所消耗的能量(假設中轉節點沒有數據融合)，其中簇首攜帶的數據量，半分布式網絡中基站可通過成簇后簇首廣播的CH_BS_MSG信息來獲取，集中式網絡基站可根據成簇后簇內成員節點數量的大小來模擬計算數據量。在第一輪部署之后節點位置不變，簇首間距離可以確定。

選擇操作采用適應度值排序的保留優秀種群個體策略，對每個染色體個體的適應度值從大往小排序，選擇適應度值在前面的k位染色體，替代適應度值排在后k位的染色體。交叉操作采用多點交叉的方式，交叉的概率為：

generation為當前進化的代數，Max_gen為最大迭代次數，P_cmax為初始交叉概率。