基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法
【專利摘要】本發(fā)明在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定組織結(jié)構(gòu)特性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出一種基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法。其過程為：在簇結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過程中采用基于邊介數(shù)的方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇。本發(fā)明將邊介數(shù)引入分簇劃分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，得到最優(yōu)分簇網(wǎng)絡(luò)。在小型網(wǎng)絡(luò)中(主要針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))，本發(fā)明在耗能均衡的情況下，不僅能得到一個(gè)可信度相對(duì)較好的分簇網(wǎng)絡(luò)，還避免了孤立節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，而且使用最優(yōu)分簇后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)好，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
【專利說(shuō)明】基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特指一種基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分 簇方法，能夠優(yōu)化小型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network)是由各種微型、廉價(jià)的傳感器 節(jié)點(diǎn)通過自組織的形式組成的一類數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、 通信技術(shù)、分布式信息處理、微電子制造技術(shù)和軟件編程技術(shù)等，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采 集網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)控內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理后傳送給終端 用戶。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、醫(yī)療、工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通、安全、空間探測(cè)等，以及家庭 和辦公環(huán)境等眾多等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其研究、開發(fā)和應(yīng)用關(guān)系到國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì) 發(fā)展等許多重要方面。
[0003] 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，提供靈活、可靠的通信，并提高網(wǎng) 絡(luò)的可擴(kuò)展性，通常采用分級(jí)分布式控制方式控制網(wǎng)絡(luò)，即采用網(wǎng)絡(luò)分級(jí)結(jié)構(gòu)在分級(jí)結(jié)構(gòu) 中；網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇，分簇方法的選擇和性能影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和網(wǎng)絡(luò)連通性，由于分簇對(duì)于 路由、擁塞控制等上層協(xié)議均有影響，因此，它屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的支撐技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò) 綜合性能有重要影響。
[0004] 針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量損耗問題已經(jīng)有了一些解決方法。在多跳網(wǎng)絡(luò)中， Lian J和Naik K教授提出了這樣一個(gè)方法，即在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的 位置放置更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，該方法能夠緩解能量急劇損耗的壓力，但是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分 布不均勻且節(jié)點(diǎn)總數(shù)從內(nèi)向外呈等比增長(zhǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)大量增加，而現(xiàn)實(shí)生活中 傳感器節(jié)點(diǎn)還不能低成本大規(guī)模生產(chǎn)，因此要實(shí)現(xiàn)本方法，網(wǎng)絡(luò)成本將消耗巨大。
[0005] 對(duì)于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制，Heinzelman W教授提出的LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)方法。LEACH方法是一種典型的低功耗分層路由方法。 該方法是目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇型拓?fù)淇刂浦凶罹叽硇缘乃惴ㄖ?。算法通過分層的 思想，采用分輪次進(jìn)行簇頭選擇的方法。網(wǎng)絡(luò)中每一輪次根據(jù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的〇?1之間的隨 機(jī)數(shù)進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前輪次中某節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)小于設(shè)定閾值T，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)就被選 做該輪次中的簇頭，如果該輪次中此節(jié)點(diǎn)被選為簇頭，那么接下來(lái)1 / P輪次中該節(jié)點(diǎn)就不 能成為簇頭。簇頭接收來(lái)自簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，融合匯總，然后傳輸給基站。因 LEACH方法的 重點(diǎn)主要集中于均衡簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗，存在成簇開銷大，且沒有很好地解決 第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間跨度長(zhǎng)以及網(wǎng)絡(luò)生存期較短的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明在分簇發(fā)展的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足以及具有一定組織結(jié)構(gòu)的 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需要，提出了一種基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法。在 成簇階段采用基于邊介數(shù)的方法，將通信能力較好的節(jié)點(diǎn)之間建立連接，并計(jì)算其邊介數(shù) 從而進(jìn)行分簇，該方法能夠有效減少能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期，提高穩(wěn)定期時(shí)間，還能優(yōu)化 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并有效避免了孤立節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，包括 以下步驟：
[0008] 針對(duì)由多節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造出一個(gè)由0和1元素構(gòu)成的對(duì)稱三角陣，即構(gòu)成所 述的網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣。以下是多個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰接矩陣G NXN:
[0009]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于，所述方法至少包括以下 步驟： 針對(duì)由多節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造出一個(gè)由O和1元素構(gòu)成的對(duì)稱三角陣，即構(gòu)成所述的 網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣，其中N個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣Gnxn:
根據(jù)所述鄰接矩陣Gnxn，計(jì)算所述網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑； 根據(jù)所述鄰接矩陣Gnxn，計(jì)算所述網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑條數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于，所述 方法至少還包括如下步驟： 計(jì)算邊介數(shù)和邊介數(shù)矩陣，其中，邊介數(shù)是網(wǎng)絡(luò)中所有最短路徑中經(jīng)過某一條邊的路 徑的數(shù)目占最短路徑總數(shù)的比例； 所述具體邊介數(shù)的計(jì)算步驟如下： 其中，n(i，j)代表從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的最短路徑條數(shù)，N代表節(jié)點(diǎn)數(shù)目； 根據(jù)鄰接矩陣Gnxn和邊介數(shù)的計(jì)算方法可得到邊介數(shù)矩陣Bnxn，其中
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于， 還包括如下步驟； 由邊介數(shù)矩陣Bnxn進(jìn)行分簇，其步驟如下： 首先由得到的邊介數(shù)矩陣Bnxn，依次去掉其最大值以及最大值所對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣中的 邊，從而得到分簇； 再計(jì)算整個(gè)分簇網(wǎng)絡(luò)的Q值；Q值代表網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)果的優(yōu)劣，當(dāng)Q取極大值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分 簇得到最優(yōu)分簇結(jié)果； 其中，分簇中使用的Q值定義為： Q = Z(e.j-aO=^-HI ' 其中，代表從分簇i到分簇j之間連接的邊的數(shù)目'=Σα/代表在分簇i中的邊 J 的數(shù)目，Tre=ΣPij代表連接頂點(diǎn)的邊的數(shù)目，Q的取值范圍為O?1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于邊介數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于， 所述分簇劃分的具體計(jì)算過程如下： 步驟1 :計(jì)算網(wǎng)絡(luò)最短路徑以及最短路徑條數(shù)； 步驟2 :計(jì)算邊介數(shù)，得到邊介數(shù)矩陣； 步驟3:求得邊介數(shù)矩陣中的最大值； 步驟4:去掉邊介數(shù)最大值以及它所對(duì)應(yīng)的邊； 步驟5 :判斷是否得到分簇，若是轉(zhuǎn)步驟6,否則跳轉(zhuǎn)到步驟3 ; 步驟6 :計(jì)算整個(gè)分簇網(wǎng)絡(luò)的Q值，判斷是否極大值，若是則結(jié)束，否則跳轉(zhuǎn)到步驟3 ; 步驟7:結(jié)束，完成所述網(wǎng)絡(luò)的分簇。
【文檔編號(hào)】H04W24/02GK104270797SQ201410072816
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】李哲濤, 楊柳, 陳潛, 朱更明, 裴廷睿 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)