[發(fā)明專利]一個基于雙層分簇的高能效無線傳感器網絡拓撲控制方法

有效

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• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112752320B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設計）人: 許峰;劉盼飛;劉振宇;呂昕
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/20;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 趙艷

本發(fā)明公開了一個基于雙層分簇的高能效無線傳感器網絡拓撲控制方法，步驟為：首先，在第一層采用改進的DPC?MND(Density Peaks Clustering based on Mutual Neighborhood Degrees)算法，對WSN中的普通節(jié)點做分簇；接著，在簇內根據節(jié)點剩余能量以及與基站的距離選舉一級簇頭；然后，以所有一級簇頭為第二層，采用K?Means對一級簇頭分簇，同時得出聚類質心；根據節(jié)點的剩余能量，以及與質心、基站的距離選舉二級簇頭；最后，綜合考慮能量、距離、偏轉角構造二級簇頭的路徑權重。在Dijkstra算法上引入免疫算法理論并改進，求得全局最優(yōu)路徑，動態(tài)規(guī)劃一種簇間多跳路由。本發(fā)明，通過雙層分簇構造和多級簇頭選舉，接收數據、融合與轉發(fā)等任務平均分配在了各級簇頭上。有效均衡了節(jié)點能耗以及延長了網絡生存周期。

技術領域

本發(fā)明屬于無線傳感器網絡路由領域，特別涉及了一個基于雙層分簇的高能效無線傳感器網絡拓撲控制方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種分布式傳感網絡，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網絡的所有者。無線傳感器網絡應用廣泛，其應用場景包括入侵檢測、氣象監(jiān)測、安全性和戰(zhàn)術偵查等。

針對無線傳感器網絡能耗問題，Heinzelman.W.R等人提出了經典的LEACH協(xié)議，每個節(jié)點隨機生成一個0-1的小數，若小于閾值T(n)則立即當選簇頭，其他節(jié)點選擇一個離自己最近的簇頭加入成簇；李建洲等人在LEACH的基礎上提出了EBCRP協(xié)議，該協(xié)議在選舉簇頭時，加入了距離因素的考慮，使簇頭概率隨距離連續(xù)變化。上述方法在節(jié)點分布不均時，分簇效果不佳，簇頭可能集中分布在某一區(qū)域。侯雅婷等人提出了基于DBSCAN分簇的路由協(xié)議，在大規(guī)模無線傳感器網絡中利用基于密度的聚類方式來對傳感器節(jié)點進行分簇。張海燕等人提出了一種基于K-means聚類路由算法KBECRA。該算法采用K-means聚類算法將網絡分為固定不變的簇，并在各簇中采用雙簇頭結構分散簇內能耗。但以上兩種算法在各個方面仍然存在不足。

綜上所述，如何對傳感器節(jié)點進行有效分簇，均衡簇頭的能量消耗，延長網絡的生存周期，已經成為本領域亟待解決的問題。

發(fā)明內容

為了解決上述背景技術提到的技術問題，本發(fā)明提出了一個基于雙層分簇的高能效無線傳感器網絡拓撲控制方法。

為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明的技術方案為：

一個基于雙層分簇的高能效無線傳感器網絡拓撲控制方法，包括以下步驟：

(1)在第一層利用改進的DPC-MND算法對無線傳感器網絡節(jié)點進行分簇，然后根據節(jié)點剩余能量以及節(jié)點到簇內其他節(jié)點的距離和挑選一級簇頭，具體過程如下：

(101)計算節(jié)點之間的歐式距離，求出每個節(jié)點的局部密度ρ和與其他節(jié)點之間的相對距離δ，公式為：

其中，d_ij為節(jié)點x_i到節(jié)點x_j的歐式距離；knn(i)為節(jié)點x_i的k個鄰近點的集合。式(1-2)表示局部密度最高的節(jié)點不存在比其局部密度更高的節(jié)點，則人為設置為最高。

(102)計算出每個節(jié)點的決策值γ，降序排列，選出其中最大的M個峰值節(jié)點作為最終的聚類中心集合。d_toSink表示節(jié)點x_i到基站的距離，決策值公式為：