专利名称：应用于无线传感器网络的分簇控制方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，具体是一种具有可靠性的无线传感器网络分簇控制方法，可用于去寻找稳定、可靠、网络能量分布均衡且与实际网络相匹配的簇。
背景技术：
无线传感器网络是集传感器技术、嵌入式技术以及低功耗无线通信技术而形成的一种以自组织网络方式构建的无线网络。其主体是低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器。这些微型传感器通过对监测对象的信息采集，并利用自身的嵌入式系统对信息进行简单处理，然后再利用随机自组织网络以多跳中继方式将信息传送给目标节点，从而完成对监测区域的掌控。该技术可用于军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等军事和民用领域。传感器节点往往工作在恶劣的环境中，并且通常采用能量有限的电池提供能量，替换节点的电池或对电池进行充电都是十分困难的，所以无线传感器网络很容易出现因为能源耗尽而导致节点失效的情况。如何有效利用节点的有限能量，从而最大化的延长网络的生存时间已成为传感器网络研究的热点。分簇机制是无线传感器网络协议中的一个重要问题。一个好的分簇算法能够形成一个优良的网络拓扑结构，从而有效地提高路由协议的执行效率和网络数据的传输成功率，减少节点的数据处理量，延长节点及网络的寿命。分簇机制其实就是将网络中的传感器节点人为地分成两类，一类是簇头节点，一类是簇内节点。其中簇内节点负责感知数据，并将感知到的数据传输给簇头节点。簇头节点则主要是协调簇内各节点工作，负责数据的融合和转发。网络分簇后有很多优点，例如，由簇头节点担负数据融合的任务，可减少网络数据的传输量；分簇式的网络拓扑结构有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络；由于簇内节点在相当长的时间内关闭无线通信模块，所以可显著地延长网络寿命。国外对于无线传感器网络分簇方法的研究起步比较早，Heinzelman W B等人率先提出了适合在无线传感器网络上应用的典型层次式路由协议(LEACH协议)，该协议采用了一种凝聚策略，利用各节点对之间的相似性，从相似性最高的节点对开始，往一个空网络中添加边,添边过程的终止时刻就得到了一个由若干簇组成的网络。但是这种方法没有考虑节点的剩余能量，从而可能导致某些节点过早的死亡，并影响网络的寿命。近年来，国内专家学者也纷纷对无线传感器网络分簇方法进行了研究。同济大学的杭海存等人将LEACH协议与蚁群算法相结合运用到了无线传感器网络中，这种方法平衡了网络的能量消耗，延长了网络的生存时间，但其在簇头选取的过程中也没有考虑簇头节点的剩余能量，从而可能使一些剩余能量较小的节点当选为簇头，并加速这些节点的死亡速度。由中国国家知识产权局2011年6月3日公开，公开号为CN102231899A的专利申请“一种无线传感网高斯分簇路由控制方法”，公开了一种传感网络的寻簇方法。该方法借助网络的大小、网络成簇的数量、节点的剩余能量及簇头间的最优距离等参素寻找到了一个簇头分布较为均匀的网络簇结构，从而使得网络整体能量分布较为均匀，并降低了网络节点的死亡速率。但该发明申请存在如下缺陷I)该方法是先选择簇头，然后再由簇头来构建簇，每轮都要变化簇的结构，从而使获得的网络拓扑结构很不稳定，同时还增加了网络的选簇开销；2)该方法没有考虑无线传感器网络本身结构的现状，从而引发寻找到的网络簇结构随机性强、与实际网络结构不匹配等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种应用于无线传感器网络的分簇控制方法，以解决已有技术找到的簇不稳定、随机性强且与实际网络结构不匹配问题，从而提高簇的稳定性、可调性、普适性及其与实际网络的匹配性。实现本发明的技术思路是通过无线传感器网络的Laplace矩阵求出网络的非平凡特征向量，根据传感器网络实际应用的特点，结合各节点的剩余能量及其周围能量分布的异配度在每个簇内选取簇头，利用非平凡特征向量的均值向量形成与实际网络相匹配的原始簇结构；并借助网络模块度的增量来评估合并这些原始的簇，从而建立了一个与实际网络更加匹配可靠的、适合于实际应用需求的网络簇结构。其实现步骤包括如下(I)在SXS的平面范围内，随机抛撒η个传感器节点，构建随机无线传感器网络，各节点将各自的ID号、位置、剩余能量信息封装为数据报文向周围的邻居节点进行广播，广播过程结束时，各节点均形成并维护一张邻居列表，邻居列表中存贮节点本身及其邻居节点的剩余能量、ID号和位置信息；(2)在生成的无线传感器网络中，将各节点看成一个独立的簇，基站利用网络的Laplace矩阵求出该无线传感器网络非平凡特征向量的均值向量CT=(Cli)nxi，取Cf中各簇对应的元素为该簇的坐标，并构建网络的簇间距矩阵 =0^]ηΧη，其中
权利要求
1.一种应用于无线传感器网络的分簇控制方法，包括如下步骤(1)在SXS的平面范围内，随机抛撒η个传感器节点，构建随机无线传感器网络，各节点将各自的ID号、位置、剩余能量信息封装为数据报文向周围的邻居节点进行广播，广播过程结束时，各节点均形成并维护一张邻居列表，邻居列表中存贮节点本身及其邻居节点的剩余能量、ID号和位置信息；(2)在生成的无线传感器网络中，将各节点看成一个独立的簇，基站利用网络的 Laplace矩阵求出该无线传感器网络非平凡特征向量的均值向量Cf=(Cli)nxi，取Cf中各簇对应的元素为该簇的坐标，并构建网络的簇间距矩阵 =0^]ηΧη，其中
2.如权利要求1所述的应用于无线传感器网络的分簇控制方法，其特征在于，步骤(6) 所述的更新模块度增量矩阵八0、簇间距矩阵0、中间变量％和~按如下步骤进行(6a)更新模块度增量矩阵Λ Q，即在矩阵Λ Q中删除簇i对应的行和列，并利用如下公式分别更新矩阵AQ中簇j对应的行和列上的所有元素
3.如权利要求1所述的应用于无线传感器网络的分簇控制方法，其特征在于，步骤(7) 所述的传感器节点间通过簇头选择函数来进行簇头选择，按如下步骤进行(7a)簇内各节点依据其邻居列表中存贮的本身及其邻居节点的剩余能量和位置信息来计算t时刻各自的能量分布异配度，计算公式如下
全文摘要
本发明公开了一种应用于无线传感器网络的分簇控制方法，主要解决现有技术可靠性差及可调性低的问题。该方法首先在无线传感器网络本身结构的基础上利用非平凡特征向量来形成与实际网络相匹配的原始簇；然后借助网络模块度的增量来评估合并这些原始簇，从而形成一个与真实网络更加匹配可靠的簇结构；最后根据无线传感器网络实际应用的特点，结合各节点的剩余能量及其周围能量分布的异配度从每个簇内选取簇头。利用本发明构建的无线传感器网络簇结构不仅具有更高的匹配性，而且具有很好的可调性，可满足在恶劣环境条件下，对无线传感器网络簇结构可靠性的要求。
文档编号H04W40/10GK103024857SQ20131000632
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者刘三阳, 刘逵, 焦红伟, 冯海林 申请人:西安电子科技大学