CN103634870B - 无线医疗传感器网络动态分簇方法 - Google Patents

Abstract

无线医疗传感器网络动态分簇方法，该动态分簇方法分成多轮进行，每轮由三个阶段组成：簇头产生、簇的形成以及簇的运行维护。不仅考虑了节点剩余能量关系、节点能量消耗速度、能量与距离关系等因素，还支持无线医疗传感器节点的动态分布。

Description

无线医疗传感器网络动态分簇方法

技术领域

本发明属于无线医疗传感器网络领域，更具体而言，涉及一种能量有效的无线医疗传感器网络动态分簇方法。

背景技术

近年来，随着无线传感器网络在医疗方面的技术日渐成熟，越来越多的医院、社区医疗服务站及家庭采用了无线医疗传感器网络作为改善其医疗服务水平和质量的重要措施。但是无线医疗传感器网络却具有不同于传统网络的异质特征：

(1)能量有限性。无线医疗传感器节点主要以电池供电，所以节点的能量有限性是网络主要的限制特征。

(2)网络规模性。无线医疗传感器网络可部署于医院、疗养院、社区医疗服务站等环境，为保证网络应用的准确性和广泛性，需要部署大量无线医疗传感器节点。

(3)网络自组性。无线医疗传感器节点部署后可根据所安装的网络协议和机制进行自我配置和管理,自主建立拓扑，形成多跳的无线网络。

(4)节点动态性。无线医疗传感器节点部署受环境和节点移动性的影响，可能会出现节点失效退出网络或新的节点加入网络的情况。因此，无线医疗传感器网络必须能及时改变网络路由，以确保监测信息准确及时地传输。

中国专利申请号201210179087.4提出了一种基于动态分簇路由算法的无线传感器网络数据采集方法。该方法基于无线传感器网络，使用分簇传输及自动重新分簇机制，即使用分簇的拓扑结构进行组网，按照节点距离作为确立和选择簇头的依据。但是，该方法适应能力差，适用范围有限，簇的维护性不是非常理想。

在无线医疗传感器网络中，节点需要采集大量的感知数据，且这些数据有很大的相近性。为避免数据过多而加剧传输能量的消耗，对节点进行分簇是非常必要的。使用分簇路由协议可以有效地提高节点能量的利用率，方便网络拓扑的管理，并使得数据融合变得简单。

分簇路由协议就是把网络中的节点分成多个簇，每个簇都由簇头和簇成员组成。网络运行过程中，每个节点将数据信息先传输到簇头节点，由簇头节点将收集到的簇内数据信息融合处理后再传输到基站。

在无线传感器网络领域中，国内外已研究出多种分簇协议，如LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）是无线传感器网络中最早提出的分簇路由协议，对其后研究的分簇协议有着深远的影响。该协议以循环方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载尽量平均分配到每个传感器节点上。由于LEACH协议产生簇头时阀值T(n)没有考虑节点能量消耗和节点间距离关系等因素，因此许多文献对其进行了改进，如DCHS、LEACH-EDH等。但是这些改进协议也存在缺陷，如DCHS没有考虑节点间距离和簇头节点能量消耗之间关系等因素；LEACH-EDH没有考虑节点与能量间的关系等。到目前为止，特别针对无线医疗传感器网络的分簇协议尚未有文献予以报道。

发明内容

本发明提供一种能量有效的无线医疗传感器网络动态分簇方法，适用于无线医疗传感器网络的自组织、分层路由管理及网络的拓扑构建。

无线医疗传感器网络动态分簇方法，步骤1、计算阈值T(n)：

$T\left(n\right)=\frac{p}{1-p\left(r\mathrm{mod}(1/p)\right)}\·\frac{\mathrm{En}\_\mathrm{current}}{\mathrm{En}\_\max }\·(1-\frac{\mathrm{En}\_\mathrm{last}}{\mathrm{En}\_\mathrm{current}})$

其中，p为每轮中无线医疗传感器节点成为簇头节点的百分比，r为当前轮数，En_current表示无线医疗传感器节点的当前能量，En_last表示无线医疗传感器节点上次作为簇头时的能量消耗，第一次为簇头时En_last=0，En_max表示无线医疗传感器节点的初始能量，mod()是求余函数；

所述传感器节点都随机选择0～1之间的一个值；如果选择的值小于阀值T(n)，医疗传感器节点成为候选簇头。

候选簇头向基站发送簇头选择信息，基站根据接收到的候选簇头信号强度和剩余能量确定最终的簇头；

步骤2、簇头向所在区域广播发送建簇信息，相邻所述传感器节点根据接收到的簇头信号强度，归属簇头信号强度较大的簇；

步骤3、当簇头无法继续担当簇头时，产生新簇头，新簇头的能量必须大于簇内所述传感器节点平均能量值，且选择K值最大的所述传感器节点作为簇头：

K=E_i/D_i-BS

E_i为节点当前能量值，D_i-BS为节点到基站的距离。

作为进一步的优选，在步骤2中，簇成员节点通过退避算法以竞争方式向簇头发送采集数据。

作为进一步的优选，簇成员节点在第一次确定数据发送顺序和时间间隔后，以后就以所述顺序和时间间隔向簇头发送采集数据。

作为进一步的优选，在步骤1中，当最终的簇头数量小于簇头数量阈值时，此次选择的簇头取消，重新选择。

作为进一步的优选，当簇成员节点的数量小于簇成员数量阈值时，撤销该簇，该簇的成员节点和簇头根据邻簇的簇头信号强度，归属信号强度较大的簇。

作为进一步的优选，在步骤3中，当簇的成员节点移动出簇，所述移动的成员节点加入新的簇。

作为进一步的优选，在步骤2中，簇头和簇成员节点之间的通信频率是随机产生。

作为进一步的优选，在步骤3中，当簇头的自身能量不足或者不能收到簇中多个成员节点的数据时，认为该簇头无法继续担当簇头。

作为进一步的优选，新的簇接收所述移动节点的申请信息，申请信息在新的簇内以网络约定的功率广播，且只是单跳传播。

有益效果：无线医疗传感器网络动态分簇方法，不仅考虑了节点剩余能量关系、节点能量消耗速度、能量与距离关系等因素，还支持无线医疗传感器节点的动态分布，解决了无线医疗传感器网络缺乏专用的分簇协议的问题，可广泛应用于医院、疗养院、社区医疗服务站。

附图说明

图1某一时刻网络中簇头和簇的区域划分。

图2具体实施例WMDCP协议第1轮节点分布及簇头选择。

图3具体实施例WMDCP协议第50轮节点分布及簇头选择。

图4具体实施例WMDCP协议第100轮节点分布及簇头选择。

图5具体实施例WMDCP协议第200轮节点分布及簇头选择。

图6LEACH及WMDCP协议簇能量剩余比较。

图7LEACH和WMDCP协议节点剩余数量比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明适用于中大型规模的无线医疗传感器网络场景，可部署于医院、疗养院、社区医疗服务站。N个初始能量相同的无线医疗传感器节点随机分布在目标区域中，且节点具有移动性；网络被分割成多个簇，每个簇有一个簇头；网络中包含一个固定基站；簇内节点以单跳方式与簇头通信，且根据与簇头距离动态调整功率以节省能量；簇头以单跳方式与基站通信，且根据与基站距离动态调整功率以节省能量；簇头与基站之间的通信采用固定频率，与簇内通信频率不同；各簇建立之后，随机选择通信频率以避免簇间干扰；每个无线医疗传感器节点均具有发送和接收无线信号的功能。作为一种优选，本发明采用MATLAB软件示范性仿真了WMDCP算法的性能。仿真实验中，传感器节点数量为100，模拟区域为100*100m²，每个节点的初始能量为1。

本发明中的无线医疗传感器网络动态分簇协议分成多个轮次运行，按照经验常数每轮设置固定的运行时间。本实施例中，实际部署运行的无线医疗传感器网络轮时间为30分钟，MATLAB仿真网络轮时间设置为5分钟。本发明的具体步骤如下：

步骤1：簇头的选择

（1）根据下面公式计算阈值T(n)，

$T\left(n\right)=\frac{p}{1-p\left(r\mathrm{mod}(1/p)\right)}\·\frac{\mathrm{En}\_\mathrm{current}}{\mathrm{En}\_\max }\·(1-\frac{\mathrm{En}\_\mathrm{last}}{\mathrm{En}\_\mathrm{current}})$

公式中p为每轮中节点成为簇头节点的百分比，r为当前轮数，En_current表示节点的当前能量，En_last表示节点上次作为簇头时的能量消耗（第一次为簇头时En_last=0），En_max表示节点的初始能量。mod()是求余函数，n为自然数。

（2）在每轮簇头产生阶段，每个医疗传感器节点随机选择0^～1之间的一个值。如果选定的值小于某一个阀值T(n)（0≤T(n)≤1），那么这个医疗传感器节点成为候选簇头。

（3）所有候选簇头以固定的频率和统一的初始信号功率向基站发送簇头选择信息，报文格式如下表所示。

type

src-id

energy

字段解释如下：

type：用于区分报文的类型；

src-id：候选簇头ID；

energy：候选簇头的剩余能量。

基站根据接收到的候选簇头信号强度和剩余能量确定最终的簇头。如果候选簇头的信号强度低于阈值，则可以判断该节点距离基站较远，处于网络边缘，不适合作簇头；如果候选簇头的剩余能量低于阈值，则该候选簇头不适合作簇头。若最终的簇头数目过少，小于阈值，则基站向全网广播宣布该轮取消；全网返回步骤1，轮初始化阶段重新开始。若最终的簇头数目正常，基站可按接收信息时的先后顺序给簇头进行编号（CH-id），此编号作为簇群号。基站向整个网络广播最终簇头信息，格式如下表所示。

type	id-CH-list

字段解释如下：

type：用于区分报文的类型；

id-CH-list：最终确定的簇头ID与对应的簇群号列表。

步骤2：簇的形成

（1）接收到基站广播的最终簇头信息后，所有簇头以固定的频率和统一的初始信号功率向所在区域广播发送建簇信息，报文格式如下表所示。

type

src-id

CH-id

frequency

字段解释如下：

type：用于区分报文的类型；

src-id：簇头ID；

CH-id：簇群号；

frequency：簇头随机产生的用于数据通信阶段的该簇头与簇成员节点之间的通信频率。按照上述方式，最终所有节点全部入簇。

相邻节点根据接收到的簇头信号强度，归属簇头信号强度较大的簇，并记录数据通信阶段的通信频率。

（2）簇成员节点通过退避算法以竞争方式向簇头发送采集数据，通信频率为所记录的该簇通信频率。各成员的发送顺序确定后，以固定时间间隔向簇头汇聚所采集的环境数据，从而避免了数据冲突。但成员节点检测到信道空闲时，并不立即发送数据，而是等待一个小的时间间隔，以便高优先级的帧能够及时发送。当被检测者的血压或心跳等发生突然变化时，此方法能够确保医院等部门及时获得第一手数据，以便第一时间采取对策。

（3）簇头根据接收到的采集数据确定簇成员的数量，一段时间后，如果该簇的成员数量小于阈值，则簇头宣布该簇撤销，以达到尽量平均簇大小和尽量平均节点能量消耗的目的。然后，该簇的所有成员包括簇头根据接收到的邻簇的簇头信号强度，归属簇头信号强度较大的簇。

某一时刻簇头和簇的区域划分参照图1所示，WMDCP协议的第1轮、第50轮、第100轮、第200轮的节点分布及簇头选择由图2至图5所示。

步骤3：簇的运行维护

针对无线医疗传感器节点的移动性，可能发生簇头或簇成员节点离开簇的情况。若簇成员节点离开簇，其它节点只需调整数据发送顺序即可；若是簇头离开簇，则原簇需要重新选举簇头。对于簇头，运行时当判断自身能量剩余不足或者不能收到本簇中多个成员节点的感应数据，则簇头可判断它已离开原簇，需要以普通节点身份加入到新簇之中；对于簇成员节点，当所发送的多个数据包没有得到簇头的确认时，则判断已离开原簇，需要加入到所处的新簇之中。

（1）当旧簇头离开原簇或旧簇头能量不足难以继续担当簇头时，需要重新选举新簇头，选取原则是要综合考虑簇内成员节点剩余能量及它们到基站的距离等因素。新簇头的能量必须大于簇内节点平均能量值，且K值最大：

$K=\frac{E_i}{D_{i-\mathrm{BS}}}$

其中，E_i为节点当前能量值，D_i-BS为节点到基站的距离，该值通过节点向基站发送探测数据，利用往返时延计算而得。通过选择K值较大（即能量高且距离基站近）的节点为新簇头，能够提高簇的稳定性，减少建簇过程中各节点能量的消耗。该簇所有节点向簇内广播K值信息，通过比较，簇内各节点选择K值最大的节点为簇的新簇头。具体算法为节点记录第一个收到的K值及对应节点的ID信息，若接下来收到的K值较大，则替换记录值；若收到的K值较小，则记录值不变，最后将得到最大K值及对应节点的ID信息。

（2）在簇成员和簇头通信过程中，当簇成员节点不能接收到簇头确认数据包或接收到的簇头信号强度过弱时，则可判断该节点移动出簇。当簇头不能收到本簇中多个成员节点的感应数据，则簇头可判断它已离开原簇，需要以普通节点身份加入到新簇之中。移动出原簇的簇头或簇成员节点须向新簇的簇头广播加入簇的申请信息，接收到新簇头的同意信息后表明该节点已经成功地加入到新簇当中。该申请信息只在移动节点所在的新簇内以网络约定的功率进行广播，且只是单跳传播，不会被任何节点转发。作为新节点，申请入簇信息的报文格式如下表所示。

type

src-id

字段解释如下：

type：用于区分报文的类型；

src-id：新节点的ID。

簇头回复的确认信息格式如下表所示。

type

src-id

CH-id

seq-num

字段解释如下：

type：用于区分报文的类型；

src-id：簇头ID；

CH-id：簇群号；

seq-num：簇内数据发送顺序，即新节点的前一个发送节点的ID号。

图6显示仿真经过200轮的簇头选举后运行两协议的节点平均能量剩余情况。图7显示仿真经过2000轮后运行LEACH及WMDCP协议的节点非死亡数量。由图6和图7两协议的对比情况可以看出WMDCP协议能有效延长无线医疗传感器网络寿命，因此有助于提高通信质量。

当轮时间到时后，实际部署运行的无线医疗传感器网络将进入下一轮次的动态分簇，重新按照上述3个步骤完成簇头选择、建簇和簇的运行维护。

发明适用于无线医疗传感器网络的自组织、分层路由管理及网络的拓扑构建，支持无线医疗传感器节点的动态分布。该发明提出新的无线医疗传感器网络动态分簇方法，不仅考虑了节点能量关系、节点能量消耗和能量与距离关系等因素，还支持无线医疗传感器节点的动态分布，解决了无线医疗传感器网络缺乏专用的分簇协议的问题。该动态分簇方法分成多轮进行，每轮由三个阶段组成：簇头产生、簇的形成以及簇的运行维护。仿真实验证明该发明所提出的协议能有效地改进节点的能量均衡并提高网络性能，延长网络寿命，因此该发明非常适合于资源有限的无线医疗传感器网络。

此实施例只是体现本发明精神的优选特例，本领域技术人员完全可以根据本发明专利的主旨，加以灵活变通，以达到最佳的实施效果。对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明专利的精神和范围，其均应涵盖在本发明专利的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.无线医疗传感器网络动态分簇方法，其特征在于：

步骤1、计算阈值T(n)：

$T\left(n\right)=\frac{p}{1-p\left(r\mathrm{mod}\right(1/p\left)\right)}\·\frac{En\_current}{En\_\max }\·(1-\frac{En\_last}{En\_current})$

其中，p为每轮中无线医疗传感器节点成为簇头节点的百分比，r为当前轮数，En_current表示无线医疗传感器节点的当前能量，En_last表示无线医疗传感器节点上次作为簇头时的能量消耗，第一次为簇头时En_last＝0，En_max表示无线医疗传感器节点的初始能量，mod()是求余函数，n是自然数；

所述传感器节点都随机选择0～1之间的一个值；如果选择的值小于阀值T(n)，医疗传感器节点成为候选簇头；

候选簇头向基站发送簇头选择信息，基站根据接收到的候选簇头信号强度和剩余能量确定最终的簇头；

步骤2、簇头向所在区域广播发送建簇信息，相邻所述传感器节点根据接收到的簇头信号强度，归属簇头信号强度较大的簇；

步骤3、当簇头无法继续担当簇头时，产生新簇头，新簇头的能量大于簇内所述传感器节点平均能量值，且选择K值最大的所述传感器节点作为簇头：

K＝E_i/D_i-BS

E_i为节点当前能量值，D_i-BS为节点到基站的距离。

2.根据权利要求1所述的动态分簇方法，其特征在于：在步骤2中，簇成员节点通过退避算法以竞争方式向簇头发送采集数据。

3.根据权利要求2所述的动态分簇方法，其特征在于：簇成员节点在第一次确定数据发送顺序和时间间隔后，以后就以所述顺序和时间间隔向簇头发送采集数据。

4.根据权利要求1所述的动态分簇方法，其特征在于：在步骤1中，当最终的簇头数量小于簇头数量阈值时，此次选择的簇头取消，重新选择。

5.根据权利要求2或3所述的动态分簇方法，其特征在于：当簇成员节点的数量小于簇成员数量阈值时，撤销该簇，该簇的成员节点和簇头根据邻簇的簇头信号强度，归属信号强度较大的簇。

6.根据权利要求1-4之一所述的动态分簇方法，其特征在于：在步骤3中，当簇的成员节点移动出簇，所述移动的成员节点加入新的簇。

7.根据权利要求1-4之一所述的动态分簇方法，其特征在于：在步骤2中，簇头和簇成员节点之间的通信频率是随机产生。

8.根据权利要求1所述的动态分簇方法，其特征在于：在步骤3中，当簇头的自身能量不足或者不能收到簇中多个成员节点的数据时，认为该簇头无法继续担当簇头。

9.根据权利要求6所述的动态分簇方法，其特征在于：新的簇接收所述移动节点的申请信息，申请信息在新的簇内以网络约定的功率广播，且只是单跳传播。