[發(fā)明專利]一種基于公平性和能耗速率的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法

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• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110225567A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 冉靜;董金瑋;劉元安;胡鶴飛;袁東明;黎淑蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/32;H04W84/18
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本發(fā)明公開了一種基于公平性和能耗速率的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，包括：在工廠、車間、加油站等監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)中，模擬能量異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)場景，設(shè)計了一種基于公平性和能耗速率的分簇方法。基于降低節(jié)點的能耗和延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及負(fù)載均衡的角度，考慮節(jié)點的剩余能量、能量消耗的快慢、能量熱區(qū)問題、以及不同類型節(jié)點之間當(dāng)選簇首的公平性，使網(wǎng)絡(luò)能夠更合理的選擇簇首，增加了復(fù)雜能量異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分簇方法的考慮因素。在簇間傳輸階段，如果基站BS距離傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域較遠(yuǎn)，采用基于遺傳算法的簇首間多跳傳輸方式往基站BS傳輸監(jiān)控信息，進(jìn)而降低簇首因距離BS較遠(yuǎn)而造成傳輸路徑上的能量損耗，提高了能量的利用率，降低了節(jié)點死亡率，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇方法領(lǐng)域，具體涉及到一種基于公平性和能耗速率的能量異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法。

背景技術(shù)

隨著信息科技社會的不斷進(jìn)步，人們對于日常生活中信息的采集獲取與分析處理的需求越來越強(qiáng)烈，越來越多的場景需要用到微型傳感器，在一些場所如森林棲息地的水源監(jiān)測、智能機(jī)器人倉庫，以及機(jī)場邊圍欄的防入侵，都部署著傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于無線傳感器節(jié)點體積小、集成度高等特點，且需要經(jīng)常的傳輸信息。造成節(jié)點經(jīng)常受到電量的困擾，當(dāng)節(jié)點電量耗盡時，就會死亡。網(wǎng)絡(luò)中如果存在較多的死亡節(jié)點，會極大的影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量，影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。為了解決傳感器節(jié)點過早死亡的問題，我們通過分簇的方式去優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量消耗，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

傳統(tǒng)的無線傳感器分簇策略大都基于能量同構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的初始能量均相同，它更關(guān)注數(shù)據(jù)的到達(dá)性，和路由的穩(wěn)定性，因此常把跳數(shù)、中繼、傳輸成功率因素作為優(yōu)化的方向。而忽略了諸如網(wǎng)絡(luò)壽命和覆蓋率等問題。我們都知道傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命是有限的，為了節(jié)省成本當(dāng)節(jié)點能量即將耗盡時，通過添加更多的節(jié)點來重進(jìn)激活傳感器網(wǎng)絡(luò)，而這些重新裝備的節(jié)點比已經(jīng)使用的節(jié)點有更多的能量，這就在能量方面存在異構(gòu)性，這種網(wǎng)絡(luò)的模型也更貼近于實際場景。目前針對能量異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇方法大多基于節(jié)點的初始能量和剩余能量，在節(jié)點剩余能量與能耗速率以及公平性的結(jié)合上仍然存在一些欠缺，即簇首的選擇過程中，考慮單個節(jié)點消耗能量快慢、以及不同類型節(jié)點成為簇首的公平性問題，且在網(wǎng)絡(luò)整體的負(fù)載均衡上還有待優(yōu)化。

針對現(xiàn)有能量異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法中的上述問題，目前的解決方案仍存在著一些問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種能量異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，使得網(wǎng)絡(luò)在分簇的過程中更合理的選擇簇首，進(jìn)而有效提高網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的存活時間，降低節(jié)點的死亡率，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的生命穩(wěn)定周期。在簇間傳輸階段，如果基站BS距離傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域較遠(yuǎn)，采用基于遺傳算法的簇首間多跳傳輸方式往基站BS傳輸監(jiān)控信息，進(jìn)而降低簇首因距離BS較遠(yuǎn)而造成傳輸路徑上的能量損耗。

基于上述目的本發(fā)明提供一種應(yīng)用于集中式或半分布式能量異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，包括：

初始化的網(wǎng)絡(luò)中有n個節(jié)點，其中高能節(jié)點所占比例為m，α為高能節(jié)點多的額外能量與普通節(jié)點初始能量的比值。普通節(jié)點的初始能量為E₀，高能節(jié)點初始能量為(1+α)E₀。能量異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總能量為n(1-m)E₀+nm(1+α)E₀＝nE₀(1+αm)。

初始化網(wǎng)絡(luò)的信息采集階段，基站通過廣播查詢消息ADV的方式，向傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播。收集節(jié)點的ID、能量、位置等信息。基站在收到信息之后輪詢遍歷，確保得到所有節(jié)點信息。基站收集到所有信息后，保存當(dāng)前這些節(jié)點的信息，并根據(jù)各節(jié)點的位置坐標(biāo)建立虛擬拓?fù)洹?/p>

節(jié)點在接收到廣播消息之后，記錄下基站的位置信息。然后基站準(zhǔn)備運(yùn)行虛擬拓?fù)渌惴ā?/p>