基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法及系统

技术特征：

1.一种基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，包括：

获取基站坐标以及无线传感器网络内所有节点的节点坐标，并根据所述基站坐标以及所述节点坐标计算每一个所述节点坐标相对于基站的节点角度；

基于无线传感器网络节点能耗模型，确定簇首位于所述基站的簇首最佳位置以及簇首最佳数量；

基于所述簇首最佳数量，根据所述节点角度确定簇间节点角度方差；

根据所述簇间节点角度方差对所有节点分簇，确定每个簇内的节点数目；

根据所述簇首最佳数量以及每个簇内的节点数目确定簇间节点数目方差；

根据所述簇间节点角度方差以及所述簇间节点数目方差确定分簇多目标优化函数，并求解所述分簇多目标优化函数的最优解；所述最优解为最优角度分割阈值；

按照从小到大的顺序排列所有所述节点角度，根据所述最优角度分割阈值对排列后的所有节点分割为多个最佳簇；

确定以所述基站为圆心，以所述簇首最佳位置为半径的最佳簇首位置圆以及节点剩余能量；

根据所述最佳簇首位置圆和所述节点剩余能量选取每个所述最佳簇内的最佳簇首。

2.根据权利要求1所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述根据所述基站坐标以及所述节点坐标计算每一个所述节点坐标相对于基站的节点角度，具体包括：

利用公式计算每一个所述节点坐标相对于基站的节点角度；其中，θi为第i个所述节点坐标相对于基站的节点角度；xi为第i个节点的横坐标，yi为第i个节点的纵坐标；x0为基站的横坐标，y0为基站的纵坐标。

3.根据权利要求1所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述基于无线传感器网络节点能耗模型，确定簇首位于所述基站的簇首最佳位置以及簇首最佳数量，具体包括：

在单次完整的通信过程中，基于无线传感器网络节点能耗模型，确定无线传感器网络的整体能耗目标函数；

求解所述整体能耗目标函数，确定簇首位于所述基站的簇首最佳位置以及簇首最佳数量。

4.根据权利要求1所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述基于所述簇首最佳数量，根据所述节点角度确定簇间节点角度方差，具体包括：

基于所述簇首最佳数量，根据所述节点角度确定所有节点的节点角度出现的概率值、每个簇内所述节点角度的均值以及每个簇内所述节点角度的累加概率；

基于最大类间方差算法，根据所有节点的节点角度出现的概率值、每个簇内所述节点角度的均值以及每个簇内所述节点角度的累加概率得到簇间节点角度方差。

5.根据权利要求1所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述根据所述簇首最佳数量以及每个簇内的节点数目确定簇间节点数目方差，具体包括：

获取所有节点的节点总数；

根据所述簇首最佳数量以及所述节点总数确定每个簇内的平均节点数目；

根据所述平均节点数目以及每个簇内的节点数目确定簇间节点数目方差。

6.根据权利要求1所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述根据所述簇间节点角度方差以及所述簇间节点数目方差确定分簇多目标优化函数，并求解所述分簇多目标优化函数的最优解，具体包括：

利用公式确定分簇多目标优化函数；其中，f1为关于自变量为角度分割阈值的分簇多目标优化函数；为归一化处理后的簇间节点角度方差；为归一化处理后的簇间节点数目方差；α为角度聚类权重因子，取值范围为[0,1]；

采用群体智能优化算法求解所述分簇多目标优化函数，确定所述分簇多目标优化函数的最优解。

7.根据权利要求1所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述根据所述最佳簇首位置圆和所述节点剩余能量选取每个所述最佳簇内的最佳簇首，具体包括：

利用公式确定多个所述最佳簇首中每个所述最佳簇内适应度函数值最大的节点作为最佳簇首；其中，f2(si)为多个所述最佳簇首内第i个节点si的适应度函数；ω1为剩余能量权重因子；ere(si)为节点si的剩余能量；eo(si)为节点si的初始能量；ω2为位置权重因子；为节点si到最佳簇首位置的距离；dtocmax为同一簇内所有节点到最佳簇首位置的最大距离、dtocmin为同一簇内所有节点到最佳簇首位置的最小距离。

8.根据权利要求1所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述根据所述最佳簇首位置圆和所述节点剩余能量选取每个所述最佳簇内的最佳簇首，之后还包括：

各个节点在各自分配的时分多址帧时隙中将数据包发送至所述最佳簇首，各个所述最佳簇首将簇内所述数据包内的数据进行融合后发送至所述基站。

9.一种基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由系统，其特征在于，包括：

节点角度计算模块，用于获取基站坐标以及无线传感器网络内所有节点的节点坐标，并根据所述基站坐标以及所述节点坐标计算每一个所述节点坐标相对于基站的节点角度；

簇首最佳位置以及簇首最佳数量确定模块，用于基于无线传感器网络节点能耗模型，确定簇首位于所述基站的簇首最佳位置以及簇首最佳数量；

簇间节点角度方差确定模块，用于基于所述簇首最佳数量，根据所述节点角度确定簇间节点角度方差；

节点数目确定模块，用于根据所述簇间节点角度方差对所有节点分簇，确定每个簇内的节点数目；

簇间节点数目方差确定模块，用于根据所述簇首最佳数量以及每个簇内的节点数目确定簇间节点数目方差；

分簇多目标优化函数求解模块，用于根据所述簇间节点角度方差以及所述簇间节点数目方差确定分簇多目标优化函数，并求解所述分簇多目标优化函数的最优解；所述最优解为最优角度分割阈值；

最佳簇划分模块，用于按照从小到大的顺序排列所有所述节点角度，根据所述最优角度分割阈值对排列后的所有节点分割为多个最佳簇；

最佳簇首位置圆确定模块，用于确定以所述基站为圆心，以所述簇首最佳位置为半径的最佳簇首位置圆以及节点剩余能量；

最佳簇首选取模块，用于根据所述最佳簇首位置圆和所述节点剩余能量选取每个所述最佳簇内的最佳簇首。

10.根据权利要求9所述的基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由系统，其特征在于，所述节点角度确定模块，具体包括：

节点角度确定单元，用于利用公式计算每一个所述节点坐标相对于基站的节点角度；其中，θi为第i个所述节点坐标相对于基站的节点角度；xi为第i个节点的横坐标，yi为第i个节点的纵坐标；x0为基站的横坐标，y0为基站的纵坐标。

技术总结
本发明涉及一种基于最大类间方差的无线传感器网络分簇路由方法及系统。该方法包括：根据基站坐标以及节点坐标计算节点角度；基于无线传感器网络节点能耗模型，确定簇首最佳位置以及簇首最佳数量；基于簇首最佳数量，根据节点角度确定簇间节点角度方差；根据簇间节点角度方差确定每个簇内的节点数目；根据簇首最佳数量以及每个簇内的节点数目确定簇间节点数目方差；根据簇间节点角度方差以及簇间节点数目方差确定分簇多目标优化函数，求解最优解；根据最优角度分割阈值对排列的所有节点分割为多个最佳簇；确定以基站为圆心，以簇首最佳位置为半径的最佳簇首位置圆以及节点剩余能量，选取每个最佳簇内的最佳簇首。本发明有效降低和均衡化网络能耗。

技术研发人员：赵小强;李雄;刘敏;文秦;高心岗;常虹;曾耀平;付银娟;翟永智;姚引娣;廖焕敏;高强;赵远洋;冯宁宁
受保护的技术使用者：西安邮电大学;西安碧海蓝天电子信息技术有限公司
技术研发日：2021.04.23
技术公布日：2021.07.23