[发明专利]一种无线传感器网络及其分簇方法

权利要求书

1.一种无线传感器网络分簇方法，包括如下步骤：

获得无线传感器网络内每个节点的初始能量；

根据初始能量，计算节点成为簇头节点的概率；

获得节点的能耗率；

根据节点成为簇头节点的概率和节点能耗率计算节点成为簇头节点的阈值；

根据获得的节点成为簇头节点的阈值选择簇头节点；

其中每个节点的初始能量包括，普通能量节点的初始能量为E，那么高级能量节点的初始能量为E(1+α)，超级能量节点的初始能量为E(1+β)，超高级能量节点的初始能量为E(1+λ)，其中α、β、λ分别代表不同级别的高能量节点比普通节点多的能量倍数；

其中根据初始能量，计算节点成为簇头节点的概率具体包括：

确定节点成为簇头节点的概率p_i；

其中，E_r表示节点当前轮次的剩余能量，表示节点当前轮次的平均能量，n代表所有高能量节点的和占总节点的百分比，n₀代表超级能量节点和超高级能量节点的和占所有高能量节点总数的百分比，n₁表示超高级能量节点占超级能量节点和超高级能量节点总数的百分比，N_n表示普通能量节点的集合，A_n表示高级能量节点的集合，S_n表示超级能量节点的集合，U_n表示超高级能量节点的集合；p′表示节点成为簇头的最佳概率，α、β、λ分别代表不同级别的高能量节点比普通节点多的能量倍数；p′的计算过程如下：

在无线传感器网络模型中，发射器消耗的能量用来运行发送电子设备和功率放大器而接收器消耗的能量用来运行接收电子设备；其中d₀表示发射器和接收器之间的阈值；如果通信距离d小于d₀，则使用自由空间信道模型，否则，使用多路经衰落模型；因此，当传送b-bit消息时，发送端所消耗的能量为

接收端接收b-bit消息时，接收端所消耗的能量为E_RX(b)＝b×E_elec；

其中，E_elec表示发送或接收每比特消息所消耗的能量，η_fs表示自由空间模型损耗，η_mp表示多径模型损耗；

发射器和接收器之间的阈值d₀的计算公式为

响应于确定发射器和接收器之间的阈值，将传感节点划分为h个簇，则每个簇内有个节点，其中一个是簇头节点，其余个为簇内成员节点；N代表无线传感器网络内节点的个数，故簇头节点在一轮中消耗的能量E_CH为：

其中，E_DA是融合每比特消息所消耗的能量，d_tBS是簇头到基站的平均距离，假设基站的位置为(x₀，y₀)，节点的位置为(x，y)，则d_tBS为：

其中，M是传感器节点分布在边长为A的正方形区域的面积；

同样，可以得到非簇头节点在一轮中消耗的能量E_nCH为：

其中，是簇内节点到簇头的平均距离的平方，计算公式为

其中，是节点的分布密度；

通过计算可以得到，每个簇一轮消耗的能量E_cluster为：

因此，对于h个簇来说，整个网络的耗能E_t为：

对h求导可得到最优簇首数h_opt：

若分布域中大量节点到基站的距离大于阈值，即d＞d₀，则簇头节点在一轮中消耗的能量E_CH改写为：

此时得到最优簇首数h_opt为：

将公式和公式合并，则可以得到不同情况下网络的最优簇首数h_opt：

由此可以得到分布域内节点成为簇头的最佳概率p′为：

其中还包括，在选择簇头节点时，还计算节点的信任值，根据获得的节点的簇头节点的阈值和节点的信任值选择簇头节点；

其中应用Beta分布来表示节点的信任值，在簇头选举的过程中利用节点的信任值对节点进行甄别，只有信任值大于或等于所设定的信任阈值，才有资格成为最终的簇头节点；

假设节点i和节点j在过去一段时间一共交互了(s+l)次；其中，节点i和节点j合作了s次，即两节点成功的通信了s次；节点i和节点j没有合作l次，即两节点没能成功传输数据包l次；那么节点i对节点j的信誉R′_i，j表示为

R′_i，j＝Beta(s，l)

根据历史交互信息，节点i对节点j预期成功交互的期望值即为节点i对节点j的信任值T′_i，j

由于在WSN网络初始阶段，节点之间还没有进行交互，不存在历史信息，即s＝l＝0，这会导致节点之间无法判断，因此需要给s和l同时加一个初值P；本设定P为1，故节点间信任值的最终表达式为：

假设在节点i和节点j之间已经建立了一些信誉评价指标R′_i，j，节点之间还要再进行(q+w)次通信，其中，q表示两节点能够成功交互的次数，w表示两节点失败交互的次数，则节点i和节点j之间更新后的信誉为

因此更新信誉仅与以下两个参量有关，

s^new＝s+q，l^new＝l+w

根据节点的信任值设置信任阈值T′_n；当节点j想要成为簇头时，根据历史交互信息，簇内节点j与簇头节点i直接通信，所以节点j的信任值由其簇头评价为T′_i，j；只有当T′_i，j≥T′_n时，节点j才有资格成为簇头节点。