一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分區(qū) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorandActorNetwork，WSAN)是由部 署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量低成本、低功耗、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲和無線通信能力的傳感節(jié) 點(diǎn)，以及少量具備處理和通信能力、能主動對外部環(huán)境實(shí)施操作、能量資源豐富（更長的電 池壽命或者恒定電源）的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)，其目的是由傳感節(jié)點(diǎn)協(xié) 作采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)感知信 息并對外部環(huán)境實(shí)施相應(yīng)的行為。與之相比，單純的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensor Network，WSN)只有感知和匯聚數(shù)據(jù)的功能，所以WSAN具有更為廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 能量是WSAN中最重要的網(wǎng)絡(luò)資源，無論是對傳感器節(jié)點(diǎn)還是執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)來說。 WSAN的一個重要研究方向就是節(jié)能，隨著研究的進(jìn)展，目前已經(jīng)并不僅僅停留在減少網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)整體能耗上，還要求提升網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗的公平性，即各個同類節(jié)點(diǎn)的能耗盡量均勻，這 樣才能避免關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)耗盡能量而導(dǎo)致WSAN無法運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決上述問題，提供了一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法。包 括以下步驟：
[0005] 第一步，確定執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳感器節(jié)點(diǎn)位置；
[0006] 第二步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間互相通信，交換剩余能量信息和執(zhí)行能力信息；
[0007] 第三步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取到的信息利用加權(quán)維諾圖的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇；
[0008] 第四步，每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)把分簇信息轉(zhuǎn)發(fā)給簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)；
[0009] 第五步，每個傳感器節(jié)點(diǎn)向自己簇頭的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK信息，確認(rèn)加入。
[0010] 進(jìn)一步的，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用分布式或者集中式的方法構(gòu)造加權(quán)維諾圖。
[0011] 進(jìn)一步的，每一個的維諾分簇由一個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和一組傳感器節(jié)點(diǎn)組成，由執(zhí)行 器節(jié)點(diǎn)作為簇頭，統(tǒng)籌管理簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)來完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。進(jìn)一步的，所述傳感器節(jié)點(diǎn)的 位置根據(jù)執(zhí)行器向周圍發(fā)出的位置信號確定。
[0012] 進(jìn)一步的，令A(yù)= {ADH..AJ為2D監(jiān)控平面內(nèi)不同執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的集合，If 為每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，cr為每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行能力，則加權(quán)維諾圖可以表 示為：
[0013]
。記執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的加權(quán) 維諾圖為V/，則有
[0014] 本發(fā)明利用加權(quán)維諾圖方法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成不同簇，減少了網(wǎng)絡(luò)能耗，并且 提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的公平性。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例，一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)簇方法中執(zhí)行器節(jié)點(diǎn) 維諾分簇圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附 圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有 作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0017] 本實(shí)施中提供了一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法。包括以下步驟：
[0018] 第一步，確定執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳感器節(jié)點(diǎn)位置；
[0019] 第二步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間互相通信，交換剩余能量信息和執(zhí)行能力信息；
[0020] 第三步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取到的信息利用加權(quán)維諾圖的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇；
[0021] 第四步，每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)把分簇信息轉(zhuǎn)發(fā)給簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)；
[0022] 第五步，每個傳感器節(jié)點(diǎn)向自己簇頭的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK信息，確認(rèn)加入。具體 的，定義1如下：
[0023] 以d(a，b)代表點(diǎn)a和b之間的歐氏距離，在平面中我們可以得到：
[0024]
[0025] 令A(yù)= {AdA2,A3. . .AN}為2D監(jiān)控平面內(nèi)不同執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的集合， 這些節(jié)點(diǎn)可以看做維諾多邊形的生長中心。任給A為監(jiān)控區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)，令
則&~為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)4的維諾多邊形。任 給A內(nèi)一執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)~，就有一對應(yīng)的維諾多邊形。顯而易見，整個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控 區(qū)域就是由這些維諾多邊形組成的，記為VA，則彳
維諾多邊形 Ka,、是由一個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)Ai和一組傳感器節(jié)點(diǎn)S={SuS2,S3. . .Sn}組成，也就是WSAN的 一個維諾分簇。簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)Si的距離比到其他任何一個執(zhí)行器節(jié) 點(diǎn)都要小。圖1展示了一個典型的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)維諾分簇圖，圖中用實(shí)心圓點(diǎn)來代表執(zhí)行器 節(jié)點(diǎn)，周圍的多邊形區(qū)域就是維諾分簇。顯然的，當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)個數(shù)為n的時候，整個WSAN 被分割為n個維諾分簇，每一個的維諾分簇由一個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和一組傳感器節(jié)點(diǎn)組成，由 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)作為簇頭，統(tǒng)籌管理簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)來完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。維諾圖有兩個顯著的特 點(diǎn)，第一個就是維諾分簇的個數(shù)隨執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而線性增加，并不復(fù)雜；第二個是 局部動態(tài)特性，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)數(shù)目改變只對鄰近的維諾分簇產(chǎn)生影響。
[0026] 圖1所示的只是最基本的一種情況，但是在實(shí)際應(yīng)用中，雖然起始階段執(zhí)行器節(jié) 點(diǎn)能量豐富，但是每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的操作和通信所耗費(fèi)的能量是不一樣的，所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn) 行一定時間之后，每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的剩余能量可能有所不同；除此之外，由于執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)硬 件上的差異，可能每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行能力也并不相同。為了提升網(wǎng)絡(luò)公平性，需要統(tǒng) 籌安排執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的通信和操作行為。主要思想為，剩余能量較多的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)較多 的通信任務(wù)，并且結(jié)合執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)本身執(zhí)行能力來決定每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)操作區(qū)域的范 圍?？紤]到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的剩余能量和執(zhí)行能力，本實(shí)施例中提出了基于加權(quán)維諾圖對執(zhí)行 器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)的協(xié)議。
[0027] 定義2:加權(quán)維諾圖令A(yù)={AyA2,A3. . .AJ為2D監(jiān)控平面內(nèi)不同執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的 集合，為每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，^廣為每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行能力，則加權(quán)維諾 圖可以表示為：
。記執(zhí)行器節(jié)點(diǎn) 的加權(quán)維諾圖為V/，則有
[0028] 在本實(shí)施例中，提出了一種面向能量有效性的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（Wireless SensorandActorNetwork)WSAN協(xié)議，VDMST(ProtocolbasedonweightedVoronoi diagramandDegree-constrainedMinimumSpanningTree),主要思想為利用加權(quán)維諾圖 方法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)包括傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)分成不同簇，以便減少網(wǎng)絡(luò)能耗，并且 提升網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的公平性。
[0029] 本協(xié)議在運(yùn)行過程中分成多個循環(huán)執(zhí)行的回合，每個回合都會對簇進(jìn)行維護(hù)，首 先執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)互相通信，交換剩余能量信息和執(zhí)行能力信息，其次執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)使用分布式 或者集中式的方法，根據(jù)獲取的信息構(gòu)造加權(quán)維諾圖，接下來每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)把分簇信息 轉(zhuǎn)發(fā)給簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，最后，每個傳感器節(jié)點(diǎn)向自己簇頭的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK信息， 確認(rèn)加入。
[0030] 其中，ACK，是在數(shù)據(jù)通信傳輸中，接收站發(fā)給發(fā)送站的一種傳輸控制字符，它表示 確認(rèn)發(fā)來的數(shù)據(jù)已經(jīng)接受無誤。
[0031] 本實(shí)施例利用加權(quán)維諾圖方法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成不同簇，減少了網(wǎng)絡(luò)能耗，并 且提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的公平性。
[0032] 最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡 管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然 可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替 換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精 神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步，確定執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳感器節(jié)點(diǎn)位置； 第二步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間互相通信，交換剩余能量信息和執(zhí)行能力信息； 第三步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取到的信息利用加權(quán)維諾圖的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇； 第四步，每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)把分簇信息轉(zhuǎn)發(fā)給簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)； 第五步，每個傳感器節(jié)點(diǎn)向自己簇頭的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK信息，確認(rèn)加入。2. 如權(quán)利要求1所述的一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于，執(zhí) 行器節(jié)點(diǎn)采用分布式或者集中式的方法構(gòu)造加權(quán)維諾圖。3. 如權(quán)利要求1所述的一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于，每 一個的維諾分簇由一個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和一組傳感器節(jié)點(diǎn)組成，由執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)作為簇頭，統(tǒng)籌 管理簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)來完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。4. 如權(quán)利要求1所述的一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于，所 述傳感器節(jié)點(diǎn)的位置根據(jù)執(zhí)行器向周圍發(fā)出的位置信號確定。5. 如權(quán)利要求1所述的一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，其特征在于，令 A= (A1,A2,A3. . .AJ為2D監(jiān)控平面內(nèi)不同執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的集合，屬^為每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的剩 余能量，cr為每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行能力，則加權(quán)維諾圖可以表示為：
【專利摘要】一種新型的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，包括以下步驟：第一步，確定執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳感器節(jié)點(diǎn)位置；第二步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間互相通信，交換剩余能量信息和執(zhí)行能力信息；第三步，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取到的信息利用加權(quán)維諾圖的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇；第四步，每個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)把分簇信息轉(zhuǎn)發(fā)給簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)；第五步，每個傳感器節(jié)點(diǎn)向自己簇頭的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK信息，確認(rèn)加入。本發(fā)明利用加權(quán)維諾圖方法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成不同簇，減少了網(wǎng)絡(luò)能耗，并且提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的公平性。
【IPC分類】H04W84/18, H04W52/02
【公開號】CN105050169
【申請?zhí)枴緾N201510355850
【發(fā)明人】冷金敏, 李迪, 馮濤, 魏昌超, 趙喜進(jìn)
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)山東省電力公司聊城供電公司
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月24日