CN108770035A - 一种簇头节点选取方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种簇头节点选取方法及***，该方法包括：信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点，普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。本发明能够避免低能量节点的加速死亡和网络的通信故障。

Description

一种簇头节点选取方法及***
技术领域
本发明涉及无线网络技术领域，特别涉及一种簇头节点选取方法及***。
背景技术
随着无线传感器网络应用的不断拓展，无线传感器网络的生存时间开始显得至关重要。无线传感器网络中包括多个节点，节点由电池提供能量，这使得节点的通信范围、能量、带宽、计算能力和存储能力非常有限，若过多地消耗某个节点的能量会造成该节点的死亡，节点死亡会进而导致整个无线传感器网络的生存时间大大降低。
分簇方法能够较好地利用节点的能量，提升无线传感器网络的生存时间。现有的分簇方法包括低能耗自适应分簇方法和链式分簇方法：低能耗自适应分簇方法以轮转的方式任意选取簇头节点，这可能会导致低能量节点的加速死亡，链式分簇方***流选取单链上的每个节点成为簇头，当链头发生故障时，这可能会导致整个无线传感器网络通信故障。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供了一种簇头节点选取方法及***，能够避免低能量节点的加速死亡和网络的通信故障。
为实现上述目的，本发明提供了一种簇头节点选取方法，基于物联网网络，所述物联网网络包括信标节点和普通节点，所述簇头节点选取方法包括：
信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值；
信标节点发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点；
普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。
可选地，在所述信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值之前还包括：
普通节点生成普通节点至多个信标节点的传输时延值，发送排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值至基站；
基站根据所述排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值对所述普通节点和信标节点进行分组；
普通节点发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点。
可选地，在所述普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点之后还包括：
基站判断所述簇头节点的剩余能量是否小于或等于本组内所有普通节点的平均能量；
若基站判断出所述簇头节点的剩余能量小于或等于本组内所有普通节点的平均能量，所述普通节点继续执行所述普通节点发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点的步骤。
可选地，在所述普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点之后还包括：
所述簇头节点广播消息至物联网网络中的所有普通节点，所述消息包括消息的信号强度；
普通节点根据所述消息的信号强度加入信号最强的组中。
可选地，还包括：
若基站判断出所述簇头节点的剩余能量大于本组内所有普通节点的平均能量，所述簇头节点继续执行所述簇头节点广播消息至物联网网络中的所有普通节点的步骤。
可选地，所述初始簇头节点选取阈值通过公式
计算得出，其中，T(n)表示与普通节点n对应的初始簇头节点选取阈值，P表示第k组内期望簇头节点个数与第k组内所有普通节点个数的比值，r表示簇头节点选取轮数，rmod(1/P)表示每轮簇头节点选取中已被选为簇头节点的普通节点个数，Gk表示第k组的普通节点总数，gk表示第k组的期望簇头节点个数，Dmax和Dmin分别表示普通节点n距离基站的最大距离和最小距离，Di表示普通节点n距离基站的实际距离，Ec表示本轮簇头节点选取中普通节点n的剩余能量，Ei表示普通节点n的初始化能量，n表示未被选为簇头节点的普通节点，G表示未被选为簇头节点的普通节点的集合。
为实现上述目的，本发明还提供了一种簇头节点选取***，包括信标节点和普通节点；
所述信标节点，用于根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点；
所述普通节点，用于根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。
可选地，还包括基站；
所述普通节点还用于生成普通节点至多个信标节点的传输时延值，发送排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值至基站，发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点；
所述基站，用于根据所述排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值对所述普通节点和信标节点进行分组；
所述信标节点还用于接收所述普通节点的能效信息。
可选地，所述基站还用于判断所述簇头节点的剩余能量是否小于或等于本组内所有普通节点的平均能量；
所述普通节点还用于若基站判断出所述簇头节点的剩余能量小于或等于本组内所有普通节点的平均能量，继续执行所述普通节点发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点的步骤。
可选地，还包括簇头节点；
所述簇头节点，用于广播消息至物联网网络中的所有普通节点，所述消息包括消息的信号强度；
所述普通节点还用于根据所述消息的信号强度加入信号最强的组中。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的簇头节点选取方法，信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点，普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。该方法能够避免低能量节点的加速死亡和网络的通信故障。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种簇头节点选取方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二提供的一种簇头节点选取方法的流程示意图；
图3为本发明实施例三提供的一种簇头节点选取***的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种簇头节点选取方法的流程示意图，该方法基于物联网网络，物联网网络包括信标节点和普通节点，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤101、信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值。
步骤102、信标节点发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点。
步骤103、普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。
本发明提供的簇头节点选取方法，信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点，普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。该方法能够避免低能量节点的加速死亡和网络的通信故障。
实施例二
图2为本实施例二提供的一种簇头节点选取方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤201、普通节点生成普通节点至多个信标节点的传输时延值，发送排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值至基站。
优选地，本实施例的簇头节点选取方法基于物联网网络，物联网网络包括信标节点和普通节点，普通节点为物联网网络中除信标节点外的其他节点，物联网网络中的信标节点和普通节点随机部署。
本实施例中，物联网网络中的信标节点和普通节点均为多个。普通节点测量自身至多个信标节点的传输时延，并生成与多个信标节点对应的多个传输时延值RTT，将与多个信标节点对应的多个传输时延值RTT升序排列后发送至基站。值得说明的是，普通节点测量自身至自身通信范围内的多个信标节点间的传输时延。
步骤202、基站根据所述排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值对所述普通节点和信标节点进行分组。
基站接收物联网网络中每个普通节点发送的排序后的该普通节点至多个信标节点的传输时延值，根据普通节点至多个信标节点的传输时延值计算出每个普通节点距离信标节点的距离值，根据每个普通节点距离信标节点的距离值对所有普通节点进行分组。物联网网络中具有多个组，每组包括多个普通节点和至少一个信标节点。优选地，将普通节点分入距离该普通节点最近的信标节点所在的组中。对物联网网络中的普通节点和信标节点进行分组，可以更方便后续的簇头节点选取和管理。
步骤203、普通节点发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点。
普通节点预先生成有该普通节点的能效信息。能效信息包括普通节点距离基站的最大距离、普通节点距离基站的最小距离、普通节点的初始能量值和剩余能量值。
步骤204、信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值。
具体地，本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值通过公式
计算得出，其中，T(n)表示与普通节点n对应的初始簇头节点选取阈值，P表示普通节点n所在第k组内期望簇头节点个数与第k组内所有普通节点个数的比值，r表示簇头节点选取轮数，rmod(1/P)表示每轮簇头节点选取中已被选为簇头节点的普通节点个数，Gk表示第k组的普通节点总数，gk表示第k组的期望簇头节点个数，Dmax和Dmin分别表示普通节点n距离基站的最大距离和最小距离，Di表示普通节点n距离基站的实际距离，Ec表示本轮簇头节点选取中普通节点n的剩余能量，Ei表示普通节点n的初始化能量，n表示未被选为簇头节点的普通节点，G表示未被选为簇头节点的普通节点的集合。期望簇头节点个数可以根据第k组中所包括的普通节点的个数生成。
步骤205、信标节点发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点。
信标节点以固定的发射功率在本组内广播初始簇头节点选取阈值，所广播的初始簇头节点选取阈值为与多个普通节点对应的多个初始簇头节点选取阈值。
步骤206、普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。
普通节点随机选取一个随机数，并比较该随机数与该普通节点对应的初始簇头节点选取阈值的大小，若随机数大于该初始簇头节点选取阈值，则确定出普通节点为本组的簇头节点。每组内的簇头节点可以为多个。
步骤207、所述簇头节点广播消息至物联网网络中的所有普通节点，所述消息包括消息的信号强度。
步骤208、普通节点根据所述消息的信号强度加入信号最强的组中。
簇头节点向通信范围内的普通节点广播消息，接收到消息的普通节点判断消息的信号强度大小，并选择加入与最大信号强度对应的簇头节点所在组。该步骤208用于对普通节点的分组进行灵活性调整。
步骤209、基站判断所述簇头节点的剩余能量是否小于或等于本组内所有普通节点的平均能量，若是，执行步骤203；若否，执行步骤207。
基站实时获取各个簇头节点的剩余能量及每组内的所有普通节点的平均能量。若基站出判断所述簇头节点的剩余能量大于本组内所有普通节点的平均能量，表示该簇头节点的剩余能量较大，保持当前簇头节点的状态不变，执行步骤207。若基站判断出所述簇头节点的剩余能量小于或等于本组内所有普通节点的平均能量，表示该簇头节点的剩余能量较小，需对簇头节点进行重新选择，执行步骤203。
本发明提供的簇头节点选取方法，信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点，普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。该方法通过簇头选取阈值选取出簇头节点，有效避免了网络中低能量节点的加速死亡，利用信标节点和簇头节点共同分担网络中的能耗压力，有效避免了网络的通信故障。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的一种簇头节点选取***的结构示意图，如图3所示，该簇头节点选取***包括信标节点11和普通节点12。
所述信标节点11用于根据预先获取的本组内普通节点12的能效信息生成与本组内每个普通节点12对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点12。
所述普通节点12用于根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。
进一步地，该***还包括基站13。
所述普通节点12还用于生成普通节点12至多个信标节点11的传输时延值，发送排序后的所述普通节点12至多个信标节点11的传输时延值至基站13，发送所述普通节点12的能效信息至本组内的信标节点11。
所述基站13用于根据所述排序后的所述普通节点12至多个信标节点11的传输时延值对所述普通节点11和信标节点12进行分组。
所述信标节点11还用于接收所述普通节点12的能效信息。
进一步地，所述基站13还用于判断所述簇头节点的剩余能量是否小于或等于本组内所有普通节点12的平均能量。
所述普通节点12还用于若基站13判断出所述簇头节点的剩余能量小于或等于本组内所有普通节点12的平均能量，继续执行所述普通节点12发送所述普通节点12的能效信息至本组内的信标节点11的步骤。
进一步地，还包括簇头节点14。
所述簇头节点14用于广播消息至物联网网络中的所有普通节点12，所述消息包括消息的信号强度。
所述普通节点12还用于根据所述消息的信号强度加入信号最强的组中。
进一步地，所述簇头节点14还用于若基站13判断出所述簇头节点14的剩余能量大于本组内所有普通节点12的平均能量，继续执行所述簇头节点14广播消息至物联网网络中的所有普通节点12的步骤。
本实施例三提供的簇头节点选取***用于实现上述实施例一或实施例二提供的簇头节点选取方法。
本发明提供的簇头节点选取***，包括信标节点和普通节点，信标节点用于根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点，普通节点用于根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。该***能够避免低能量节点的加速死亡和网络的通信故障。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种簇头节点选取方法，其特征在于，基于物联网网络，所述物联网网络包括信标节点和普通节点，所述簇头节点选取方法包括：
信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值；
信标节点发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点；
普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。
2.根据权利要求1所述的簇头节点选取方法，其特征在于，在所述信标节点根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值之前还包括：
普通节点生成普通节点至多个信标节点的传输时延值，发送排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值至基站；
基站根据所述排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值对所述普通节点和信标节点进行分组；
普通节点发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点。
3.根据权利要求2所述的簇头节点选取方法，其特征在于，在所述普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点之后还包括：
基站判断所述簇头节点的剩余能量是否小于或等于本组内所有普通节点的平均能量；
若基站判断出所述簇头节点的剩余能量小于或等于本组内所有普通节点的平均能量，所述普通节点继续执行所述普通节点发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点的步骤。
4.根据权利要求3所述的簇头节点选取方法，其特征在于，在所述普通节点根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点之后还包括：
所述簇头节点广播消息至物联网网络中的所有普通节点，所述消息包括消息的信号强度；
普通节点根据所述消息的信号强度加入信号最强的组中。
5.根据权利要求4所述的簇头节点选取方法，其特征在于，还包括：
若基站判断出所述簇头节点的剩余能量大于本组内所有普通节点的平均能量，所述簇头节点继续执行所述簇头节点广播消息至物联网网络中的所有普通节点的步骤。
6.根据权利要求1-5任一所述的簇头节点选取方法，其特征在于，所述初始簇头节点选取阈值通过公式
计算得出，其中，T(n)表示与普通节点n对应的初始簇头节点选取阈值，P表示第k组内期望簇头节点个数与第k组内所有普通节点个数的比值，r表示簇头节点选取轮数，rmod(1/P)表示每轮簇头节点选取中已被选为簇头节点的普通节点个数，Gk表示第k组的普通节点总数，gk表示第k组的期望簇头节点个数，Dmax和Dmin分别表示普通节点n距离基站的最大距离和最小距离，Di表示普通节点n距离基站的实际距离，Ec表示本轮簇头节点选取中普通节点n的剩余能量，Ei表示普通节点n的初始化能量，n表示未被选为簇头节点的普通节点，G表示未被选为簇头节点的普通节点的集合。
7.一种簇头节点选取***，其特征在于，包括信标节点和普通节点；
所述信标节点，用于根据预先获取的本组内普通节点的能效信息生成与本组内每个普通节点对应的初始簇头节点选取阈值，发送所述初始簇头节点选取阈值至本组内的普通节点；
所述普通节点，用于根据所述初始簇头节点选取阈值和预先选取的随机数确定出本组的簇头节点。
8.根据权利要求7所述的簇头节点选取***，其特征在于，还包括基站；
所述普通节点还用于生成普通节点至多个信标节点的传输时延值，发送排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值至基站，发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点；
所述基站，用于根据所述排序后的所述普通节点至多个信标节点的传输时延值对所述普通节点和信标节点进行分组；
所述信标节点还用于接收所述普通节点的能效信息。
9.根据权利要求8所述的簇头节点选取***，其特征在于，所述基站还用于判断所述簇头节点的剩余能量是否小于或等于本组内所有普通节点的平均能量；所述普通节点还用于若基站判断出所述簇头节点的剩余能量小于或等于本组内所有普通节点的平均能量，继续执行所述普通节点发送所述普通节点的能效信息至本组内的信标节点的步骤。
10.根据权利要求9所述的簇头节点选取***，其特征在于，还包括簇头节点；
所述簇头节点，用于广播消息至物联网网络中的所有普通节点，所述消息包括消息的信号强度；
所述普通节点还用于根据所述消息的信号强度加入信号最强的组中。
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