CN103200055B - 物联网中基于能耗最小的分簇组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网中基于能耗最小的分簇组网方法，主要解决现有技术节点发送数据时能耗大的问题。其实现过程是：（1）接入点AP广播一个数据分组，通知所有节点开始分簇；（2）节点寻找路径损耗最小的数据传输链路，并对寻找到的链路进行标识；（3）节点根据这些链路标识建立数据转发表，接入点AP根据数据转发表进行分簇，使得簇成员在通过簇头转发数据时能耗最小；（4）接入点AP将分簇的结果告知各节点，分簇结束。本发明有效地节省了节点的能量，在具有200个节点的场景中，每个节点可节省47%的能量，适用于物联网中网络部署完成后能够在最长时间周期内使用的场景。

Description

物联网中基于能耗最小的分簇组网方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，特别涉及物联网中一种基于能耗最小的分簇组网方法，主要用于节省节点能量。

背景技术

物联网是新一代互联网技术，实现了物与物间通信，广泛应用于智能交通、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、敌情侦查等多个领域。其涉及的技术种类多，几乎涵盖了信息通信领域的所有技术，这里主要考察其中的接入技术。

在终端节点接入互联网时，当节点距离接入点AP较远时直接与AP通信会消耗较多的能量，对于采用电池供电的终端节点来说这将很快耗尽其能量以及频繁更换电池。因此，需要提出一种方法来延长节点的续航时间。采用分簇转发技术可以节省节点能量，现有的分簇技术可以归结为以下四种：

第一种，先从所有节点中选出一些节点，比较这些节点的节点度，节点度大的节点成为簇头；然后，其余节点从这些簇头中找出距离最近的簇头加入该簇。

第二种，先从所有节点中选出一些节点，比较这些节点的剩余能量，剩余能量多的节点成为簇头；然后，其余节点从这些簇头中找出距离最近的簇头加入该簇。

第三种，先从所有节点中选出一些节点，比较这些节点的节点度，节点度大的节点成为簇头；然后，其余节点从接收到的簇头信号中找出最强的信号加入该簇。

第四种，先从所有节点中选出一些节点，比较这些节点的剩余能量，剩余能量多的节点成为簇头；然后，其余节点从接收到的簇头信号中找出最强的信号加入该簇。

这四种分簇方法的优点在于：能实现距离接入点AP较远甚至不在其通信范围内的节点进行通信；但有一个共同的缺陷是，节点每次发送数据时能耗很大，采用电池供电的节点很快耗尽其能量，导致频繁地更换电池，不能满足物联网中网络部署完成后能够在最长时间周期内使用的要求。

发明内容

本发明的目的针对上述已有技术的不足，提出一种物联网中基于能耗最小的分簇组网方法，以使节点均以最小能耗发送数据，满足物联网中网络部署完成后能够在最长时间周期内使用的要求。

实现本发明目的的技术思路是：在网络部署完成后，所有节点寻找传输数据路径损耗最小的数据链路以及建立数据转发表，接入点AP根据数据转发表分簇，具体步骤包括如下：

（1）部署计划接入互联网的设备，包含一个接入点AP和若干终端节点，随后由接入点AP广播一个数据分组，通知所有节点开始分簇；

（2）收到数据分组的节点开始寻找传输数据路径损耗最小的数据链路：

（2a）节点n_j根据节点本身与接入点AP的距离d_j0，计算直传链路的路径损耗E_j，j=1,2,3···N，N为网络中总的节点数；

（2b）节点n_j计算经过邻居节点转发的最小路径损耗

（2c）对步骤（2a）和步骤（2b）的计算结果进行比较，寻找节点n_j的转发节点，并对相应的链路标识：

如果则转发节点为n_k，并将节点n_j至节点n_k的链路标识为γ_jk，将节点n_k至接入点AP的链路标识为γ_k0；

如果则不存在转发节点，并将节点n_j至接入点AP的链路标识为γ_j0；

（2d）重复步骤（2a）至步骤（2c），所有节点完成寻找传输数据路径损耗最小的数据链路，同时具有了链路标识；

（3）所有节点根据链路标识建立一张数据转发表；

（4）接入点AP根据数据转发表进行分簇：

（4a）所有节点将各自的数据转发表发送给接入点AP；

（4b）AP将所有数据转发表中对应元素值相加，得到新的数据转发表，记为M；

（4c）如果新的数据转发表M中的元素值为1，则将该元素列号对应的节点作为簇头，元素行号对应的节点作为簇成员；

（5）接入点AP将分簇结果，通过发送一个数据分组告知所有节点，至此分簇组网完成。

本发明具有如下优点:

1、在簇的划分过程中，通过采用数据转发表，使得簇头和簇成员的选取同步进行，从而有效地减少了分簇的复杂性；

2、通过终端节点和接入点AP共同参与分簇，确保了分簇信息的真实性，从而有效地提高了分簇的可靠性；

3、所有节点通过寻找路径损耗最小的链路来决定加入簇，使得簇成员在通过簇头转发数据时能耗最小，从而有效地延长了续航时间，满足物联网中网络部署完成后能够在最长时间周期内使用的要求。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明的50个节点仿真场景；

图3是本发明对图2仿真场景的分簇结果；

图4是采用本发明对20到200个节点的仿真场景进行分簇与不分簇相比，每个节点的平均节省的能量百分比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：

参照图1，本发明具体步骤如下：

步骤1，部署网络，启动分簇。

部署计划接入互联网的设备，该设备主要包含一个接入点AP和若干终端节点；所有设备部署完毕后由接入点AP广播一个数据分组，通知所有节点开始分簇。

步骤2，收到数据分组的节点，开始寻找传输数据路径损耗最小的数据链路。

（2a）节点n_j根据节点本身与接入点AP的距离d_j0，计算直传链路的路径损耗E_j：

$E_j=\left\{\begin{array}{cc}32.45+20\lg 2.4514+20\lg d_{j0},& d_{j0}\≤1.5\\ 60.24+30\lg \left(\frac{d_{j0}}{10}\right),& d_{j0}>1.5\end{array}\right.$

其中，j=1,2,3···N，N为网络中总的节点数；

（2b）节点n_j按如下步骤进行计算经过邻居节点转发的最小路径损耗

（2b1）节点n_j根据节点本身与邻居节点n_i的距离d_ji，计算节点n_j与邻居节点n_i之间链路的路径损耗E_ji，i=1,2,3···N，i≠j；

（2b2）节点n_j根据邻居节点n_i与接入点AP的距离d_i0，计算邻居节点n_i到接入点AP链路的路径损耗E_i0；

（2b3）将步骤（2b1）和步骤（2b2）中的路径损耗值相加，得到节点n_j经过邻居节点n_i转发的数据链路的总损耗

（2b4）计算转发链路损耗最小值： $E_j^k=\min \left\{E_j^i\right|i=\mathrm{1,2,3}...N,i\≠j\};$

（2c）对步骤（2a）和步骤（2b）的计算结果进行比较，寻找节点n_j的转发节点，并对相应的链路标识：

如果则转发节点为n_k，并将节点n_j至节点n_k的链路标识为γ_jk，将节点n_k至接入点AP的链路标识为γ_k0；

如果则不存在转发节点，并将节点n_j至接入点AP的链路标识为γ_j0；

（2d）重复步骤（2a）至步骤（2c），所有节点完成寻找传输数据路径损耗最小的数据链路，同时具有了链路标识。

步骤3，所有节点根据链路标识建立数据转发表。

（3a）节点n_j形成一个数据分组，将链路标识写入其中，并发送给邻居节点；

（3b）邻居节点首先建立一个N×N矩阵，该矩阵的行号和列号对应节点的下角标号；

（3c）将数据分组中的链路标识信息记录在所述矩阵的第j行和第k列的元素上；

（3d）重复步骤（3a）至步骤（3c），所有节点完成建立数据转发表，即记录链路标识信息的N×N矩阵。

步骤4，接入点AP根据数据转发表进行分簇。

（4a）所有节点将各自的数据转发表发送给接入点AP；

（4b）AP将所有数据转发表中对应元素值相加，得到新的数据转发表，记为M；

（4c）如果新的数据转发表M中的元素值为1，则将该元素列号对应的节点作为簇头，元素行号对应的节点作为簇成员。

步骤5，接入点AP将分簇的结果，通过发送一个数据分组告知所有节点，至此分簇组网完成。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明：

1）实验条件：采用软件MATLAB7.12.0R2011a。

2）实验场景：如图2所示，50个节点随机均匀分布在1Km×1Km的正方形区域中，接入点AP在区域中心；其次，20-200个节点，即每次增加10个节点，随机均匀分布在1Km×1Km的正方形区域中，接入点AP在区域中心。

3）实验方法：首先采用本发明方案进行分簇组网，然后对比不分簇与采用本发明进行分簇每个节点的平均能耗。

4）实验结果：

采用本发明对图2场景进行分簇组网，50个节点共分成了11个簇，结果如图3所示。

当网络中的节点数目从20依次增加至200时，即每次增加10个节点，计算采用本发明对这些节点进行分簇时每个节点的平均能耗，以及不分簇时每个节点的平均能耗，然后计算出本发明使得每个节点节省的能量百分比，结果如图4纵坐标所示。由图4可见，采用本发明，每个节点节省的能量百分比随着网络中节点数目的增加而提高，当节点数目为200时，每个节点节省的能量百分比为47%。

Claims (1)

1.一种物联网中基于能耗最小的分簇组网方法，包括如下步骤：

(1)部署计划接入互联网的设备，包含一个接入点AP和若干终端节点，随后由接入点AP广播一个数据分组，通知所有节点开始分簇；

(2)收到数据分组的节点开始寻找传输数据路径损耗最小的数据链路：

(2a)节点n_j根据节点本身与接入点AP的距离d_j0，计算直传链路的路径损耗E_j：

$E_j=\left\{\begin{array}{cc}32.45+20lg2.4514+20{\mathrm{lgd}}_{j0}& ,d_{j0}\≤1.5\\ 60.24+30lg\left(\frac{d_{j0}}{10}\right)& ,d_{j0}>1.5\end{array}\right.$

其中，d_j0为节点n_j与接入点AP之间的距离，j＝1,2,3···N，N为网络中总的节点数；

(2b)节点n_j计算经过邻居节点转发的最小路径损耗

(2b1)节点n_j根据节点本身与邻居节点n_i的距离d_ji，计算节点n_j与邻居节点n_i之间链路的路径损耗E_ji，i＝1,2,3···N，i≠j；

(2b2)节点n_j根据邻居节点n_i与接入点AP的距离d_i0，计算邻居节点n_i到接入点AP链路的路径损耗E_i0；

(2b3)将步骤(2b1)和步骤(2b2)中的路径损耗值相加，得到节点n_j经过邻居节点n_i转发的数据链路的总损耗

(2b4)计算转发链路损耗最小值： $E_j^k=min\left\{E_j^i\right|i=1,2,3...N,i\≠j\};$

(2c)对步骤(2a)和步骤(2b)的计算结果进行比较，寻找节点n_j的转发节点，并对相应的链路标识：

如果则转发节点为n_k，并将节点n_j至节点n_k的链路标识为γ_jk，将节点n_k至接入点AP的链路标识为γ_k0；

如果则不存在转发节点，并将节点n_j至接入点AP的链路标识为γ_j0；

(2d)重复步骤(2a)至步骤(2c)，所有节点完成寻找传输数据路径损耗最小的数据链路，同时具有了链路标识；

(3)所有节点根据链路标识建立一张数据转发表：

(3a)节点n_j形成一个数据分组，将链路标识写入其中，并发送给邻居节点；

(3b)邻居节点首先建立一个N×N矩阵，该矩阵的行号和列号对应节点的下角标号；

(3c)将数据分组中的链路标识信息记录在所述矩阵的第j行和第k列的元素上；

(3d)重复步骤(3a)至步骤(3c)，所有节点完成建立数据转发表，即记录链路标识信息的N×N矩阵；

(4)接入点AP根据数据转发表进行分簇：

(4a)所有节点将各自的数据转发表发送给接入点AP；

(4b)AP将所有数据转发表中对应元素值相加，得到新的数据转发表，记为M；

(4c)如果新的数据转发表M中的元素值为1，则将该元素列号对应的节点作为簇头，元素行号对应的节点作为簇成员；

(5)接入点AP将分簇结果，通过发送一个数据分组告知所有节点，至此分簇组网完成。