一種負載均衡的混合節點分簇方法與流程
2023-09-21 23:49:35
本發明主要涉及到無線通信和物聯網領域，特別涉及到無線傳感器網絡分簇領域，具體講的是一種負載均衡的混合節點分簇方法。
背景技術：
無線傳感器網絡（WSN，Wireless sensor network）技術在當前無線通信技術飛速發展的大背景下得到了廣闊的應用。該網絡一般由大量能量受限的傳感器節點與一個或幾個基站組成,各傳感器節點隨機部署在需要監控的區域，形成自組織網絡感知和收集數據；分簇型傳感網絡以簇為單位進行數據收集，首先將網絡傳感器節點分成不同的簇,簇內選舉簇頭節點融合數據，其次多個簇頭將融合數據傳輸至基站，完成數據傳輸。
由於壽命有限，無線傳感器網絡中的節點需要定時更換和維護；而節點部署的隨機性又極大增加了更換和維護的成本，在此背景下，帶能量感知型節點的無線傳感器網絡由於壽命得到大幅增長而獲得了廣泛運用；能量感知節點是一類可以從周圍環境中收集能量的特殊節點，目前應用較多的有太陽能，地熱能，風能和潮汐能感知節點等等。
由於成為簇頭的巨大能耗，傳統分簇網絡中採用簇頭輪換機制將成為簇頭的能耗分散到各節點，這種策略避免了節點過早死亡，但整個網絡的壽命依然較低；而帶有能量感知型節點的無線傳感器網絡可以利用能量感知型節點作為簇頭，同時利用其充電特性補充成為簇頭所帶來的能耗，極大提升了網絡壽命；但由於地理氣候環境等諸多因素影響，感知型節點的充電速率往往呈現不穩定的狀態，這使得整個網絡的性能得不到更進一步的提升。基於此，設計了一種負載均衡的混合節點分簇方法。
技術實現要素：
本發明公開了一種負載均衡的混合節點分簇方法，主要應用能量感知節點根據充電速率設置計時器的方式動態調節成簇等待時間和簇內成員數目，以及普通節點根據距離競爭的入簇方式選擇更加合適的蔟加入的分簇方法，使得整個網絡結構最優，降低網絡的能耗，延長網絡的生命周期。
根據本發明應用背景，提供一種負載均衡的混合節點分簇方法將網絡運行過程分為相鄰的、等長並且互相獨立的周期，每一時間周期內分簇過程至少包括以下除步驟1之外的所有步驟：
步驟1、網絡場景的布置以及網絡的初始化處理；
步驟2、規定每一次分簇過程的時間固定不變，由成簇等待時間和成簇時間組成，在分簇過程起始時刻，各個能量感知EH節點會根據當前充電速率設置成簇等待時間的計時器，當計時器結束，該EH節點成為簇頭並向周圍節點廣播成簇信息，發起成簇；
步驟3、成簇階段，收到成簇信息的普通節點首先會判斷自身是否已經加入某一簇，如果還未加入任何一個簇，則根據自身與EH節點的距離設置計時器；計時器結束，該普通節點向簇首EH節點發送申請入簇信息，申請加入該簇；
步驟4、EH節點根據充電速率設置最大負載數，當接收到來自普通節點的申請入簇信號，則判斷已加入的簇內成員是否超過最大負載數；如果已加入的簇成員數未超過最大負載數，則立即向該普通節點發送同意入簇信息並將其納入自身簇成員；否則，EH節點將忽視該申請入簇信號，並且進入數據傳輸過程；另一種情況：當在規定的分簇過程的時間內，EH節點的簇內成員數未達到最大負載數，其將不再等待更多的節點入簇，直接進入數據傳輸過程；
步驟6、網絡各節點每隔時間T重新進行一次分簇，跳轉至步驟2重新成簇過程。
與現有技術相比，本方法的優點在於：
1.在該網絡中，採用自主分布式分簇方式，無需人為管理，簡單有效；
2.由於現實中EH節點充電速率受地理和氣候環境的影響，在極端條件下，EH節點根據充電速率設置計時器的方式動態調節成簇時間和簇內成員數目，以及普通節點根據距離競爭的入簇方式選擇更加合適的蔟加入，這種分簇方法可以動態調節蔟的數目和整個網絡結構，減少傳輸能耗，提高網絡的生存周期。
附圖說明
圖1是網絡場景初始化示意圖。
圖2是分簇示意圖。
圖3是EH節點分簇過程示意圖。
圖4是普通節點分簇過程示意圖。
具體實施方法：
本發明方案的具體步驟為：
步驟1，如圖1所示，網絡場景的布置以及網絡的初始化處理：
1）在需要監控的區域隨機的播撒數量100個傳感器節點，由10個EH節點和90個普通節點組成，要求EH節點儘量隨機均勻分布；
2）所有傳感器節點具有相同的初始能量以及傳輸速率；普通節點的能量隨時間單調遞減，而EH節點具備感知能量的屬性且固定成為簇頭，其充電速率是隨時間不斷變化的函數，每個EH節點的充電速率，即能量收集速率受地理位置，時間等變量影響；在本發明方法中，假設節點在一個時間周期T內充電速率基本保持穩定。
步驟2，網絡中節點的分簇方法的具體實施步驟如下：
將網絡運行過程分為時間固定成30分鐘，相鄰的並且互相獨立的一個個周期T，整個網絡每隔時間T重新進行一次分簇，EH節點的分簇過程示意圖如圖3所示，普通節點的分簇過程示意圖如圖4所示。
（1）規定每一次分簇過程的時間 固定不變，由成簇等待時間和成簇時間組成，在分簇過程起始時刻，各個能量感知EH節點會根據當前充電速率設置成簇等待時間的計時器；當計時器結束，EH節點成為簇頭並向周圍節點廣播成簇信息，發起成簇。
（2）成簇階段，收到該成簇信息的普通節點首先會判斷自身是否已經加入某一簇，如果還未加入任何一個簇，則根據自身與EH節點的距離設置計時器；計時器結束，該普通節點向簇首EH節點發送申請入簇信息，申請加入該簇，其中：
上述（1）的充電速率預測方法為：
步驟1、按照一個周期為30分鐘將一天分為連續48個周期的方法得到當地的最近兩年的能量收集速率的數據，並以此生成記錄歷史數據的矩陣，N是一天中的總周期數，等於48；M等於最近兩年的總天數，設為730；
步驟2、設當天正處在第t個周期的起始時間，通過將該天從第t個周期往前的K個周期的實際充電速率與歷史數據進行匹配，根據找到的最小絕對誤差，對應的那一天的數據就是歷史上與該天匹配得到的最相似的數據：
上式的即所期望的最相似一天的絕對誤差值，其中，為當天第i個周期內的充電速率，為歷史數據中第d天的第i個周期的充電速率，在矩陣E為位於第d列，第i行的元素；為歷史數據中第d天的充電速率，在矩陣E中則為第d列所有元素；
最後根據上述所得結果，則以歷史數據的第d天數據為參照並取其第t個周期的充電速率，設，則當前第t周期的預測充電速率為：
其中為權值因子，為上個周期的實際充電速率；
上述（1）中成簇等待時間的計時器設置方法為：
當前周期內預測的充電速率為，根據普通節點和EH節點的數目可知，網絡中每個簇頭平均管理的節點數為個；而根據無線通信能耗模型，簇頭管理一個節點的一輪數據收發需要消耗單位能量，而正常情況下每一周期T內，節點可進行輪數據傳輸；由此可計算出使EH節點達到負載均衡的充電速率條件為：
在EH節點達到負載均衡的狀態下，計時器設置為標準值；則在平均充電速率的情況下，計時器的值為：
其中，為硬體允許的最大充電速率；且當充電速率為0時，該EH節點在該周期內將暫時成為普通節點；
計時器T結束時，EH節點廣播成簇信息，發起成簇。
（3）EH節點根據充電速率設置最大負載數，接收來自普通節點的申請入簇信號，當已加入的簇成員數未超過最大負載數，則立即向該節點回復同意入簇信息並將該節點納入自身蔟；否則，EH節點將拒絕該節點的入簇申請。在未成為任何簇的成員之前，普通節點會對不同EH的成簇信息一一進行回復，直到接收到來自任意EH節點的同意入簇信息為止，具體為：
1）普通節點基於能量消耗考慮儘可能加入更近的簇，距離判斷標準為接收到的EH節點成簇信號的強弱，信號越強則表示距離越近，節點會越快向EH節點發送申請入簇信息，等待時間為：
表示普通節點接收邀請的信號強度，為時間常數；
計時器結束，故普通節點將向簇首發送申請入簇信息；
2）普通節點在等待向前一個EH節點發送申請入簇信息的時間內，可能還會陸續收到其他EH簇頭節點廣播的成簇信號，該普通節點會按照上述1）對EH節點一一進行回復，直到接收到某一個EH節點的同意入簇信息，表示入簇成功；
3）簇首根據當前周期內預測的充電速率計算出周期T內所能支撐的最大負載數；簇首依次收到來自多個普通節點的申請信號，每收到一個普通節點的入簇申請，將立刻發送同意入簇信息以表示同意該節點入簇，並且執行計數器自加操作，直到大於，簇首便不再接受其他普通節點的入簇，進入數據傳輸過程；另一種情況：當在分簇過程規定的時間內，EH節點的簇內成員數未達到最大負載數，其將不再等待更多的節點入簇，直接進入數據傳輸過程。