[發(fā)明專利]無線移動節(jié)點的隨機(jī)集中式自組織分簇方法與系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110290268.3
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN113099508B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳曦;吳濤;余驍禹;秧凌霄
• 申請（專利權(quán)）人: 西南民族大學(xué)
• 主分類號: H04W40/32
• 分類號: H04W40/32;H04W40/24;H04L45/00;H04W84/18
• 代理公司: 北京元本知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11308
• 代理人: 王紅霞

本發(fā)明提供一種無線移動節(jié)點的隨機(jī)集中式自組織分簇方法與系統(tǒng)，方法包括以下步驟：第一網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點隨機(jī)競爭分簇發(fā)起者角色，發(fā)起者集中收集其他節(jié)點的適應(yīng)度，由發(fā)起者根據(jù)適應(yīng)度選擇簇頭；簇頭向其他節(jié)點發(fā)送分配角色的PDU，收到分配角色的PDU的節(jié)點設(shè)為簇成員，并將簇成員的活性設(shè)為預(yù)設(shè)最大值；通過周期性的雙向心跳包動態(tài)維護(hù)簇頭與簇成員之間簇關(guān)系的活性；若網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點不屬于或已脫離任何分簇時，當(dāng)監(jiān)聽到其他分簇簇頭發(fā)送的用于簇關(guān)系維護(hù)的心跳包，直接申請加入該分簇，收到簇頭認(rèn)可后成為簇成員。該方法可有效提高簇頭選擇的優(yōu)化程度，降低分簇過程的能耗、帶寬開銷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線移動節(jié)點的隨機(jī)集中式自組織分簇方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)

無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad Hoc Networks)、無線傳感網(wǎng)(WSN，Wireless SensorNetworks)等相關(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、信息采集、移動監(jiān)控、災(zāi)害救援、戰(zhàn)地通信等場景，通常部署于人工難以觸及的惡劣或野外環(huán)境。此類環(huán)境下，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與基站的距離往往較遠(yuǎn)，因此直接通信的能耗較大，將直接影響網(wǎng)絡(luò)的生存時間。針對這一問題，常需要對無線自組織網(wǎng)絡(luò)/傳感網(wǎng)進(jìn)行自主分簇(clustering)，形成層次化的邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各分簇選舉一個節(jié)點作為簇頭(cluster head)，匯聚本簇內(nèi)各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)后再與基站進(jìn)行通信，而簇內(nèi)節(jié)點只與簇頭通信。一般而言，簇內(nèi)通信距離遠(yuǎn)小于與基站直接通信的距離，因此層次化的分簇對于野外環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)生存時間的延續(xù)、能量使用效率的提升均有重要意義。LEACH，是典型的自組織分簇方法，采用分布式算法自適應(yīng)、多輪次地選擇簇頭并構(gòu)建分簇，以平均分布能耗，近年來，學(xué)術(shù)界對LEACH進(jìn)行了從集中式簇頭選舉、多跳通信、移動性支持等多個維度對其進(jìn)行改進(jìn)、補(bǔ)充、優(yōu)化，現(xiàn)常用的幾種LEACH類分簇方法如下：

LEACH，主要應(yīng)用于WSN的分布式分簇方法，各節(jié)點周期性地自主生成隨機(jī)數(shù)，若小于閾值，則自我選舉為簇頭，并通過CSMA廣播，通知其他節(jié)點加入，收到加入請求后形成分簇；LEACH以多輪形式進(jìn)行簇頭選舉，因此簇頭身份可在所有節(jié)點之間進(jìn)行輪轉(zhuǎn)，從而均勻分布能耗。

LEACH-C，是一種集中式的LEACH變體，利用基站BS(Base Station)進(jìn)行集中式簇頭選擇，而不采用LEACH純分布式的簇頭自我選舉。各節(jié)點向基站通告自己的能量水平和當(dāng)前位置，通過計算平均能量水平，若節(jié)點能量水平小于該平均值，那么失去了成為簇頭的基本條件，簇頭只在高于平均值的節(jié)點中選擇產(chǎn)生。此外，由于無線通信模型中，通信的能耗往往與距離的平方成正比，為了降低網(wǎng)絡(luò)總體能耗，通過模擬退火算法來找到多個簇頭，使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與簇頭的總體平方距離最小。簇頭選擇成功后，由基站負(fù)責(zé)通告各個節(jié)點各自的簇頭或簇成員身份。

DMH-LEACH(Dynamic Multi-Hop LEACH)，其試圖利用多跳通信改進(jìn)LEACH，減少高能耗的遠(yuǎn)距離CH-BS(簇頭-基站)單跳通信。DMH-LEACH利用節(jié)點的移動性解決多跳通信下能耗不均的問題，讓具有更高移動性的節(jié)點有更高的概率被選為簇頭，那么這樣的節(jié)點就有可能此輪接近基站，而下一輪可能離基站較遠(yuǎn)，反之亦然，從而達(dá)到能耗在各節(jié)點間較為均勻的分布。在選擇簇頭的時候，引入了移動性因子，移動性越高，其值越小，并與各節(jié)點自主生成的隨機(jī)值相乘，造成隨機(jī)值更小，使得移動性高的節(jié)點具有更高的概率被選為簇頭。

基于模糊邏輯的LEACH，該方案總體思路是從所有簇頭中選擇一個超級簇頭(super cluster head，SCH)，代表各個簇頭與基站通信。在選擇SCH的過程中，基本框架同LEACH一致，主要考慮了剩余電量、移動能力、中心度等指標(biāo)，并用模糊邏輯(Fuzzy Logic)方法進(jìn)行了綜合考慮，然后得到各簇頭被選舉為SCH的概率，

CEECR(centralized energy-efficient clustering routing protocol formobile nodes)，其為對LEACH的改進(jìn)，在進(jìn)行簇頭選擇和分簇時增加了節(jié)點移動性對能耗影響的考慮。