一种基于能耗均衡的分簇式无线传感网数据收集方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线传感网能耗均衡的数据收集方法，属于计算机网络与无线通 信技术的交叉领域。
【背景技术】
[0002] 在科学技术飞速发展的今天，具有智能感知、自主组网、多跳传输能力的无线传感 网(Wireless Sensor Networks，WSN)技术，逐渐成为国内外科技界研究的热点。作为计算 机技术、无线通信技术、嵌入式设计技术、微电子技术等多学科的交叉技术，无线传感网技 术不仅拓展了人们获取信息的能力和手段，更为重要的是，它将客观世界的物理信息同传 输网络紧密连接在了一起，为人们的生产生活提供了极为丰富的有益信息，大大提升了人 们的生活质量和工作效率。
[0003] 另一方面，随着大数据理论和技术的发展，"数据收集"问题逐渐引起了人们的重 视。如何利用现有的各类感知设备，高效率、高可靠、绿色节能地收集海量的、多样化的感知 数据，正在称为制约无线传感网技术发展和应用最为关键和核心的技术之一。
[0004] 星型无线传感网结构简单，组网灵活，是当前小规模应用中所采用的主要组网形 式。然而其却无法适用于海量数据收集环境，且数据收集中心点负担往往较重，不易实现能 耗均衡;链状无线传感网尽管采用链头轮转和多跳传输等方式，降低了单一节点在数据收 集过程中的负载，但其可靠性程度不高，鲁棒性较弱；而在网状无线传感网中开展数据收 集，则容易引起ig息内爆。
[0005] 在无线传感网的网络模型中，簇状结构的网络模型具有方便管理、易于实现、扩展 性较好的优点。此类网络模型，通常根据某种规则将网络中的节点分为很多子集，各个子集 组成一个簇，每个簇由簇头节点和簇内节点组成。LEACH是最早提出的分簇算法，它能够保 证各节点等概率地担任簇头，从而使得网络中各个节点的能量相对均衡地消耗，但LEACH算 法所提的簇头选举机制没有考虑节点的地理位置信息，不能保证簇头均匀地分布在整个网 络中，从而造成簇的大小不一致，各个簇的能量消耗不均。
[0006] 众所周知，无线传感网已经并将继续拥有广阔的应用场景，在军事国防、工农业控 制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、智能家居、智能电网等众多领域，有足够的用 武之地。而上述应用场景和应用领域中，需要考虑的首要问题，无一例外，都将是数据收集 问题。而发明能够很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于能耗均衡的分簇式无 线传感网数据收集方法，该方法原理类似于k-means算法，通过不断的计算各个簇的质心坐 标、不断迭代簇头节点的位置，从而形成多个分布均匀、结构合理的簇结构的数据收集模 型，并在此基础上，选取各个簇头的邻居节点作为备选簇头，簇头和备选簇头轮转工作收集 数据，进一步均衡簇头节点的能耗。
[0008] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:本发明利用随机部署的无线传感网 节点，通过不断计算各个簇的质心坐标、不断迭代簇头节点的位置，从而形成多个分布均 匀、结构合理的簇结构的数据收集模型；最后，在此基础上，选取簇头的邻居节点作为备选 簇头，簇头和备选簇头轮转工作从而实现能耗均衡的无线传感网络的数据收集。
[0009] 方法流程：
[0010] 步骤1:在矩形平面网络中，部署N个无线传感网节点，其中，节点的能量受限，且一 经部署不能移动，各个节点已知自己的位置坐标;基站位于网络外围边缘处；
[0011] 步骤2:网络中的各节点，随机产生一个0-1之间的随机数，如果这个随机数比阈值 小，则对外发布自己为临时簇头的广播消息；
[0012] 步骤3:网络中的剩余节点，若收到临时簇头的广播消息，则继续对外广播此消息 并向临时簇头节点发送临时簇内节点加入消息；
[0013]步骤4:各个簇头节点将收到的临时簇内节点加入消息汇总，并计算簇的质心坐 标；
[0014]步骤5:各个临时簇头节点将簇的质心坐标同本临时簇内节点的坐标相比较，向距 离临时簇的质心坐标最近的节点发送新临时簇头节点消息，从而确定新的临时簇；
[0015]步骤6:距离临时簇的质心坐标最近的节点收到新临时簇头节点消息后，宣布自己 为新的临时簇头节点，同时对外广播临时簇头声明消息，重复步骤3-步骤5;
[0016] 步骤7:迭代执行上述步骤，直至临时簇头的位置不再改变，或者迭代的轮数已达 到，这时临时簇头发布簇头节点确定消息，从而确定簇头节点；
[0017] 步骤8:网络中的其他节点根据收到的簇头节点确定消息选择距离自己最近的簇 头组成簇，同时向簇头发布簇内节点确定消息，确定加入该簇；
[0018] 步骤9:簇头节点选取其邻居节点作为备选簇头，同时根据各个节点的剩余能量计 算轮转工作的时间；
[0019] 步骤10:簇头和备选簇头轮转工作从而实现能耗均衡的数据收集。
[0020] 进一步地，本发明的步骤2包括：
[0021] 步骤2-1:网络中的节点根据公式：
（式中N 为节点的数量，dt〇BS为节点到基站的距离，f s、amp为不同信道传播模型下的功率放大电路能 耗系数)计算整个网络中最优的簇头数量；
[0022] 步骤2-2:各个节点产生一个0-1之间的随机数，若随机数小于Κ〇ρ?/Ν，则节点宣布 自己为临时簇头节点；
[0023]步骤2-3:临时簇头节点对外广播一个包含自己ID信息及坐标位置的临时簇头消 息(TH_MSG)，同时等待一段足够长的时间，以便收到所有的回复消息；
[0024]进一步地，本发明的步骤3包括：
[0025]步骤3-1:网络中的所有非临时簇头节点，在收到临时簇头的广播消息后将此消息 缓存下来并继续对外广播；
[0026]步骤3-2:非临时簇头节点将所有缓存的临时簇头消息进行比较，选择距离自己最 近的临时簇头发送临时簇内节点消息（TADD_MSG)，此消息包含非临时簇头节点的ID、坐标 以及临时簇头节点的ID信息；
[0027]本发明的步骤4包括：
[0028] 步骤4-1:各个临时簇头节点在等待一段时间后，将收集到的所有临时簇内节点消 息提取出坐标信息；
[0029] 步骤4-2:将提取出的坐标信息代入 计算簇的质心 坐标(x，y)。其中，xi和yi是各个临时簇头的横纵坐标，k是簇内临时簇头的个数。V〇是簇内临 时簇头的集合；
[0030] 本发明的步骤5包括：
[0031] 步骤5-1:各个临时簇头节点将簇的质心坐标与缓存的临时簇内节点的坐标进行 比较，向距离簇的质心坐标最近的节点发送新临时簇头节点消息，新临时簇头节点消息包 含一个临时簇头节点的ID以及新临时簇头节点ID;
[0032] 本发明的步骤9包括：
[0033] 步骤9-1:选取簇头节点的邻居节点作为备选簇头，同时根据各个节点的剩余能量 计算轮转工作的时间，轮转工作时间的计算由以下步骤9-2至9-5给出；
[0034] 步骤9-2:我们选取2个簇头A、B轮转工作以均衡簇头节点的能量消耗，多个簇头的 计算方法以此类推；
[0035] 步骤9-3:在一个簇中，定义一跳到簇头的节点所在树形簇的第一层，两跳到簇头的 节点所在簇的第二层，以此类推，第一层至最大层。令最大层层数为n，各层节点的总数分别 为lhlhb……ln，相邻层之间数据的融合率为n，每个节点一轮感知到的数据量为m，则在
一轮的数据收集中簇头节点收集到的数据总量
[0036] 步骤9-4:假设节点A出任簇头的轮数为h，节点B出任簇头的轮数为t2,；在下一轮 的网络构建时，使节点A、B的剩余能量同时为E rciund以均衡簇头的能耗;假设节点A、B之间不 存在通信，当簇以节点A、B为簇头分裂为两个簇的时候，根据步骤9-3的公式可求出A、B收到 的数据量。令其分别表示为N(A)和N(B);
[0037] 步骤9-5:根据以上参数，分别得出节点A在一轮中成为簇头和非簇头时的能耗，并 将它们分别定义为Eh-jPEc^。且满足：
[0038] E