[发明专利]一种基于最优簇数的环形无线传感器网络分簇方法

权利要求书

1.一种基于最优簇数的环形无线传感器网络分簇方法CAROC,其特征在于:包括网络模型、最优簇数确定和簇头选举三个部分,基于环形无线传感器网络,以各环能耗最小化为目标,计算求得每环的最优簇数,定义了基于节点剩余能量﹑簇头占比以及簇成员节点到簇头最短距离与簇头到基站距离比的簇头阈值函数,函数大的节点成为簇头,形成优化的分簇拓扑结构,从而提高网络能量效率,延长网络生命周期；

所述的最优簇数确定包括最外环和其它环最优簇数确定,对于最外环n,因此环的簇头仅需要接收成员节点发送的数据,然后把这些数据融合成固定长度的数据转发给下一环中某个簇头；设最外环中每个簇的节点数目为N_n,ρ为节点面密度,最外环最优簇数为m_n,每个簇所对应的扇形圆心角为θ_n,则有:

同一环中每个簇传输数据所消耗的能量相等,用E_n表示；一个簇的能量消耗包括簇头的能量消耗E_ch和簇成员节点发送数据给簇头所消耗的能量E_cm；E_ch的表达式为:

其中,l是数据包的长度,d_ch是簇头节点与下一跳之间的欧几里得距离,由于采用自由空间模型,所以d_chd₀；同时也要保证簇头可以通过一跳把数据传送到下一跳接收节点﹐所以d_chr_c,其中,还为通信半径,当相邻环中两个簇的簇头的连线与两个簇边界的切线相垂直时,这两个簇中簇头之间的距离最短,即由此可知因为簇头与下一跳接收节点的距离不是固定值,所以当时，簇头传输数据所消耗的能量E_ch更准确；E_cm的表达式为：因为一个簇中成员节点到簇头的距离不等,所以采用数学期望的方法求d_cc,n环中成员节点到簇头距离d_cc的平方期望的表示如下:

其中,d_c为簇中簇成员节点到簇头之间的最大距离，为：

其中，

综上所述,最外环的总能量消耗E_total为：

，对m_n求导，可得最外环的最优簇数:

其中，

类似地,对于非最外环的任意环i,其总的能耗为:

其中m_i为第i环的簇数，N_m表示第m环的簇数；对m_i求导可得到第i环的最优簇数为：

为了选出簇中最优的节点来承担数据融合和转发任务,定义了结合簇头占比、节点剩余能量和初始能量比以及簇成员节点到簇头最短距离与簇头到基站距离比的簇头阈值函数,函数值大的节点成为簇头；已知网络中每个环的最优簇数m_i(i＝1,2,3…n环),也即簇头数；然后定义ω＝m_annual/N_annual表示每环中的簇头数占相应环中节点数目的比值,ω越大表示当前环中簇头数就越多；因为节点是均匀分布的,所以从每环的大小可知,离BS越远的环中节点数越多,簇越大,簇头数就越多；这在一定程度上减少了最外环节点因较长的通信距离所带来的能量消耗,同时由于最外环的簇头不需要接收上一环转发出的数据,所以最外环的簇头数比前几环的簇头数少；这在一定程度上减少了最内环簇头的负荷,提高了网络能效；为了减少簇头选择的随机性,提高网络的生命周期,在簇头选择时考虑了当前轮次中节点的剩余能量与节点初始能量的关系,用参量α表示,α＝E_cj/E₀，E_cj表示节点j的当前剩余能量，E₀为节点j的初始能量；网络在成簇后,成员节点需要向簇头发送数据﹐簇头最终把数据发送到基站；在这个过程中离簇头远的成员节点以及离基站远的簇头的通信能耗都比较大，所以在簇头的选择上,考虑了数据传输过程中成员节点到簇头的最短距离和簇头到基站距离的关系﹐用参数β表示,β＝min_d_jc/d_cb，min_d_jc表示节点j到簇头节点c的最短距离,d_cb表示簇头到基站的距离,则簇头的选举阈值V(N_u)如下所示:

其中r是当前网络的轮数,S是当前轮开始前网络中非簇头节点集。