基于雙簇頭聚類分簇和數(shù)據(jù)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于雙簇頭聚類分簇和數(shù)據(jù)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，屬 于無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前很受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，它是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉 價(jià)無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是 協(xié)作的感知、采集和處理覆蓋網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給用戶終端。目前，無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在很多領(lǐng)域投入了使用，例如，在環(huán)境方面可W監(jiān)測上壤情況、空氣污染 情況、農(nóng)作物的生長情況等。在醫(yī)療監(jiān)護(hù)方面可W對病人全方位的病情跟蹤而又不需要極 大的影響病人的生活。在軍事方面可W用于偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，戰(zhàn)場目標(biāo)定 位等多個(gè)方面。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的能源一般是有限的，例如電池等，該種情況就使得單個(gè) 節(jié)點(diǎn)的生命周期很短。因此，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)都是能量優(yōu)先，綜合考慮節(jié)點(diǎn)消耗 能量及網(wǎng)絡(luò)能量均衡問題。根據(jù)文獻(xiàn)可知，分層路由協(xié)議可W很好的節(jié)約能量，延長網(wǎng)絡(luò)的 生命周期。分層路由協(xié)議一般是將所有節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)只是用來 感知數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)用來收集普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并在處理后轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。具有代表性的 算法有LEACH分層路由協(xié)議 但是由于LEACH分簇算法中簇頭節(jié)點(diǎn)的生成是隨機(jī)選取的，并且與監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳感器 節(jié)點(diǎn)的分布位置無關(guān)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的疏密程度嚴(yán)重時(shí)，利用LEACH算法可能會(huì)造成選取的簇頭 不是平均的分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。當(dāng)在節(jié)點(diǎn)比較稀疏的區(qū)域，簇頭節(jié)點(diǎn)很少或沒有，此時(shí)該區(qū) 域內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)就會(huì)直接和匯聚節(jié)點(diǎn)通信，從而加快了普通節(jié)點(diǎn)的死亡，進(jìn)一步的影響了 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供了一種基于雙簇頭聚類分簇和數(shù)據(jù)融合的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)路由算法，其針對LEACH協(xié)議簇頭隨機(jī)選取造成的簇頭分布不均勻，研究一種基于聚類 的雙簇頭分簇算法，W優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消化，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期；首先利用聚 類算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)類（即W后的簇)，然后再在簇中分別選擇第一簇 頭、第二簇頭，第一簇頭用于向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，第二節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)融合。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是該樣實(shí)現(xiàn)的；基于雙簇頭聚類分簇和數(shù)據(jù)融合的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)路由算法，包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)組，匯聚節(jié)點(diǎn)，其特征在于；無線傳感器節(jié)點(diǎn)組包 括在200米*200米的正方形區(qū)域中隨機(jī)分布的200個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，分別用N_i表 示，i=l，2，…，200;設(shè)共有10個(gè)簇，分別用C_j，j=l，2，…，10;N_i屬于并且只屬于 某一個(gè)簇C_q,q為1，2，…，10中的一個(gè)，設(shè)C_j中無線傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m_j,m_j為 大于0的整數(shù)，設(shè)c_j(a)為C_j中的第a個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，它的功率放大器的能耗用E批)表示，它的自由空間消耗的能量用E句表示，它的發(fā)射電路消耗的能量Egk"(a) ，（X」(a),Y」(a))為c_j(a)在平面坐標(biāo)系中X軸Y軸的坐標(biāo)，j=l,2，…，10巧=l,2，…， m_j。匯聚節(jié)點(diǎn)用N_C表示，并將匯聚節(jié)點(diǎn)N_C放置在200米*200米的正方形區(qū)域中屯、，即N_C在平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（100, 100)，設(shè)r=l。
[0006] 其具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下： 1)、對于簇c_j，構(gòu)建flag_j向量，flag_j(a)為flag_j中的第a個(gè)元素，flag_j (a)=0, j=l,2，…，10，a=l，2，…，巧-^-。
[0007] 2)、對于簇C_j，構(gòu)建E_j向量，E_j(b)為E_j中的第b個(gè)元素，j=l, 2，…，10， b=l，2，???,m_j〇
[0008]3)、對于C_j(a)，如果E_j(a)〉0并且flag_j(a)<=0,那么利用下面的公式計(jì)算 闊值T_j(a)，
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于雙簇頭聚類分簇和數(shù)據(jù)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，包括無線傳感器節(jié)點(diǎn) 組，匯聚節(jié)點(diǎn)，其特征在于：無線傳感器節(jié)點(diǎn)組包括在200米*200米的正方形區(qū)域中隨機(jī)分 布的200個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，分別用N_i表示，i=l，2，…，200 ;設(shè)共有10個(gè)簇，分別用C_ j，j=l，2，…，10;N_i屬于并且只屬于某一個(gè)簇C_q，q為1，2，"·，10中的一個(gè)，設(shè)CJ中 無線傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m_j，m_j為大于0的整數(shù)，設(shè)C_j (a)為C_j中的第a個(gè)無線傳感器 節(jié)點(diǎn)，它的功率放大器的能耗用Eamp(?)表示，它的自由空間消耗的能量用￡ &(勻表示，它 的發(fā)射電路消耗的能量Eelect(X)，（ X」〇),Y」(a))為C_j (a)在平面坐標(biāo)系中X軸Y軸的 坐標(biāo)，j=l，2，...，10;a=l，2， 匯聚節(jié)點(diǎn)用N_C表示，并將匯聚節(jié)點(diǎn)N_C放置在200米*200米的正方形區(qū)域中心，即 N_C在平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（100, 100)，設(shè)r=l ; 其具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下： 1) 、對于簇C_j，構(gòu)建flag_j向量，flag_j (a)為flag_j中的第a個(gè)元素，flag_j (a)=0, j=l，2，…，10，a=l，2，...，IiiJ; 2) 、對于簇C_j，構(gòu)建E_j向量，E_j (b)為E_j中的第b個(gè)元素，j=l，2，…，10, b=l， 2，".，IiiJ; 3) 、對于C_j (a)，如果E_j (a)>0并且flag_j (a)〈=0,那么利用下面的公式計(jì)算閾值 T_j (a)，
否則 T_j(a)=0，j=l，2，...，10;a=l，2， 4) 、對于簇 C_j,構(gòu)建一個(gè)隨機(jī)數(shù)向量 temp_j，j=l，2，…，10，temp_j(c)為 temp_j 中的第c個(gè)元素，c=l，2，"^mJ; temp_j (c)為0到1之間的數(shù)，j=l，2，…，10，c=l， 2，...，111」；如果七611^1」（&)〈1'」（&)，那么;1^1&區(qū)」（&)=1，」=1，2，...，10，&=1，2，...，111__]·; 5) 、設(shè)向量flag_j中等于1的元素的個(gè)數(shù)為k_j，依次判斷，如果flag_j (a)等于1， 那么C_j (a)為節(jié)點(diǎn)簇頭向量CUST_j，j=l，2，…，10中的元素，CUSTJ (t)為向量CUSTJ 中的t個(gè)元素，t=l，2，"·，1?_」； 設(shè)(XCj(t)..￥Cj(t))表示⑶ST_j (t)在平面坐標(biāo)系中X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)； 6) 、利用下面的公式計(jì)算CEN_X(j)，CEN_Y(j)，j=l，2,…，10 ; 7) 、利用下面的公式
構(gòu)建j個(gè)向量，分別用D_j表示，D_j (s)為向量D_j第s個(gè)元素，j=l, 2，…，10， s=l，2,…，k_j ;設(shè)D_j(h)為向量D_j元素中最小的一個(gè)元素，則CUST_j(h)為第二簇頭， 并用(X2J(h).Y2J(h))表示該簇頭在平面坐標(biāo)系中X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)，j=l，2，·"，10， s=l，2,…，k_j ; 8) 、利用下面的公式
構(gòu)建j個(gè)向量，分別用Dl_j表示，Dl_j (w)為向量Dl_j第w個(gè)元素，j=l, 2，…，10， w=l，2, 一,kj ;設(shè)DlJ(O)為向量Dl_j元素中最小的一個(gè)元素，則CUSTJ (〇)為第一簇頭， 并用(Xl」(o),YlJ(o))表示該簇頭在平面坐標(biāo)系中X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)，j=l，2，…，10， w=l，2,…，k_j ; 9) 、根據(jù)下面公式
構(gòu)建j個(gè)向量，分別用DC」表示，DC_j (al)為向量DC_j第al個(gè)元素，j=l，2，…，10， al=l，2,…，m-j_2 ; 10) 、利用下面的公式
構(gòu)建j個(gè)向量，分別用Engery_c:」表示，Engery_cJ (al)為向量Engery_cJ第al個(gè)元 素，j=l，2，…，10，al=l，2，...，m_j-2; 11) 、利用下面的公式
構(gòu)建向量DD，DD(j)為向量DD第j個(gè)元素，j=l，2， 根據(jù)下面的公式進(jìn)行無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗；
，j=l，2，...，10; 12) 、根據(jù)下面的公式
構(gòu)建向量DS，DS(j)為向量DS第j個(gè)元素，j=l，2，...，10; 利用下面的公式進(jìn)行無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗；
，j=l，2，...，10; 13) 、設(shè) r=r+l ; 14) 、依次執(zhí)行步驟1到步驟13,直到r=2500。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于雙簇頭聚類分簇和數(shù)據(jù)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)組1，匯聚節(jié)點(diǎn)2，其特征在于：無線傳感器節(jié)點(diǎn)組1包括在200米*200米的正方形區(qū)域中隨機(jī)分布的200個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，分別用N_i表示,i=1，2，…,200；設(shè)共有10個(gè)簇，分別用C_j，j=1,2，…,10；N_i屬于并且只屬于某一個(gè)簇C_q,q為1,2，…,10中的一個(gè)；其針對LEACH協(xié)議簇頭隨機(jī)選取造成的簇頭分布不均勻，研究一種基于聚類的雙簇頭分簇算法，以優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消化，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期；首先利用聚類算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)類（即以后的簇），然后再在簇中分別選擇第一簇頭、第二簇頭，第一簇頭用于向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，第二節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)融合。
【IPC分類】H04W40-02, H04W4-00
【公開號】CN104768124
【申請?zhí)枴緾N201510181810
【發(fā)明人】馮欣, 劉壯, 張劍飛, 韓成, 張昕, 王雁龍, 張晶晶, 李騰, 楊文龍
【申請人】長春理工大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月17日