[發明專利]基于最大類間方差的無線傳感器網絡分簇路由方法及系統

有效

• 申請號: 202110463299.4
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113163464B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 趙小強;李雄;劉敏;文秦;高心崗;常虹;曾耀平;付銀娟;翟永智;姚引娣;廖煥敏;高強;趙遠洋;馮寧寧
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學;西安碧海藍天電子信息技術有限公司
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W84/18
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 杜陽陽

1.一種基于最大類間方差的無線傳感器網絡分簇路由方法，其特征在于，包括：

獲取基站坐標以及無線傳感器網絡內所有節點的節點坐標，并根據所述基站坐標以及所述節點坐標計算每一個所述節點坐標相對于基站的節點角度；

基于無線傳感器網絡節點能耗模型，確定簇首位于所述基站的簇首最佳位置以及簇首最佳數量；根據無線傳感器網絡節點能耗模型可知，各簇區的能耗包括簇首與基站間、簇內普通節點與簇首間的通信能耗；簇首的能耗E_CHtoBS如公式2所示，主要包括以下三部分：第一部分為簇首接收簇內N/K-1個普通節點感知數據的能耗，其中，N為傳感器節點數量，K為子簇數量；第二部分為簇首對簇內的N/K組數據進行融合的能耗，E_DA為融合單位比特數據的能耗；第三部分為簇首節點向基站發送數據的能耗，d_CHtoBS為簇首與基站的間距，l為數據傳輸的比特數，E_elec為發送或者接收單位bit數據所消耗的能量，E_fs為自由空間通信模型能耗系數；

簇內普通節點的能耗主要包括將感知數據發送至簇首節點的能耗E_SNtoCH，如公式3所示，假設簇內節點分布均勻，則簇內普通節點與簇首距離二次方的期望值如公式4所示，d_SNtoCH為簇內成員節點到簇首的距離；

其中，x為節點的橫坐標，y為節點的縱坐標，ρ(x,y)為分布密度函數，R為無線傳感器網絡的圓形監測區域的半徑，在單次完整的通信過程中，每個簇的能耗E_Cluster及網絡整體能耗分別如公式5與公式6所示；最小化公式6所示的網絡整體能耗E_Total，易得出如公式7所示的簇首與基站間的最佳距離以及如公式8所示的簇首最佳數量K_opt；

基于所述簇首最佳數量，根據所述節點角度確定簇間節點角度方差；由最大類間方差算法原理可知，當區域被分成K_opt簇時，需要K_opt-1個角度分簇閾值為了得到簇間節點角度方差的表達式f₁，首先分別計算所有節點s_i,i＝1,2,3....,N的角度值θ_i的出現概率p_i如公式9所示，每個簇內節點角度的均值如公式10所示和每個簇內角度的累加概率計算如公式11所示；

其中，表示角度值θ_i出現的次數，分別表示每個簇內節點角度值概率的累加概率，為每個簇內節點角度的均值，為第K_opt個簇內節點角度的均值，為第K_opt個簇內節點角度值概率的累加概率，因此可以得到基于角度的類間方差表達式，如公式12所示：

其中，μ_T表示整個區域內所有節點的角度均值，計算所公式13所示；

μ_T＝w₁μ₁+w₂u₂+....+w_Koptμ_Kopt 公式13

根據所述簇間節點角度方差對所有節點分簇，確定每個簇內的節點數目；

根據所述簇首最佳數量以及每個簇內的節點數目確定簇間節點數目方差；

根據所述簇間節點角度方差以及所述簇間節點數目方差確定分簇多目標優化函數，并求解所述分簇多目標優化函數的最優解；所述最優解為最優角度分割閾值；

按照從小到大的順序排列所有所述節點角度，根據所述最優角度分割閾值對排列后的所有節點分割為多個最佳簇；

確定以所述基站為圓心，以所述簇首最佳位置為半徑的最佳簇首位置圓以及節點剩余能量；

根據所述最佳簇首位置圓和所述節點剩余能量選取每個所述最佳簇內的最佳簇首。