CN109922511A - 簇头节点选择方法、节点分簇方法和簇头节点选择装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种簇头节点选择方法、节点分簇方法和簇头节点选择装置，属于无线传感器网络技术领域。本发明的簇头节点选择方法，包括：接收各节点发送的剩余能量；根据所述剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件；若所述节点满足所述簇头竞争条件，则获取所述节点的相关数据；所述相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长；根据所述相关数据和所述剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点。

Description

簇头节点选择方法、节点分簇方法和簇头节点选择装置
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种簇头节点选择方法、节点分簇方法和簇头节点选择装置。
背景技术
无线传感器网络中的传感器节点通常被部署在环境恶劣的条件下，节点通过无线通信的方式将数据发送给基站。
为了高效利用网络中的能量资源，最大限度地减少无效(冗余)数据在网络内的传输，研究人员提出了分簇的方法。从簇的工作机制可以看出，簇头节点由于承担较多的数据融合等预处理工作及转发工作，其的能量消耗速率远远高于簇内其他节点。
目前常用的节点成簇方法主要有：层次化成簇方法和非均匀化成簇方法。
层次化成簇方法的基本思想是节点按照信号强度来寻找距离最近的邻居节点，并不断改变信号强度，使得节点发送的信号只能被距离自身最近的邻居节点监测到。利用形成的通信链路，使得消息最终传递到目的节点。虽然该方法延长了网络生存时间，然而网络需要时刻调整拓扑结构，造成能量的大量消耗。
非均匀化成簇方法的基本思想是利用簇头与基站之间的距离来实现分簇。离基站距离较近的簇的规模较小，离基站距离较远的簇的规模较大，从而将网络切分成非均匀化簇。但是，该方法由于节点分布不均，会导致离基站近的簇头会严重消耗能量，导致节点提前死亡，降低了网络的生存时间。
综上，当前的节点成簇方法要么是离基站近的簇头会严重消耗能量，导致节点提前死亡，要么是网络需要时刻调整拓扑结构，造成能量消耗较大。
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，提供一种能够均能网络中节点能量消耗，延长网络生存时间的簇头节点选择方法。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种簇头节点选择方法，包括：
接收各节点发送的剩余能量；
根据所述剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件；
若所述节点满足所述簇头竞争条件，则获取所述节点的相关数据；所述相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长；
根据所述相关数据和所述剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点。
优选的，所述根据所述剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件的步骤包括：
根据各节点的所述剩余能量，依据第一公式计算各节点的能量效益值P；
判断所述各节点的所述能量效益值是否大于预设值，若是，则所述节点满足簇头竞争条件。
进一步优选的，所述第一公式包括：
其中，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，E(Vi)表示节点Vi的剩余能量，Eave表示网络中所有节点的剩余能量的平均值。
进一步优选的，所述预设值为1。
进一步优选的，所述根据各节点的所述相关数据和所述剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点的步骤包括：
依据第二公式计算各节点的权值W；
选择所述权值最小的节点作为簇头节点；
其中，第二公式包括：
其中，W(Vi)表示节点Vi的中心度，dg(Vi)表示节点Vi的中心度，T(Vi)表示节点Vi担任簇头的历史时长；Tthr表示网络运行总时间，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，α+β+γ＝1。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种节点分簇方法，包括上述任意一种簇头节点选择方法。
优选的，所述节点分簇方法包括：
节点自检阶段：各节点自行判断自身是否具备簇头功能，若是，则向簇头节点选择装置发送自身的剩余能量；
簇头节点选择阶段：簇头节点选择装置根据权利要求1至5中任意一项所述的簇头节点选择方法选择出簇头节点。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种簇头节点选择装置，包括：
接收单元，用于接收各节点发送的剩余能量；
判断单元，用于根据所述剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件；
数据获取单元，用于当所述节点满足簇头竞争条件时，获取所述节点的相关数据；所述相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长；
选择单元，用于根据各节点的所述相关数据和所述剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点；
优选的，所述判断单元包括：
第一计算模块，用于根据各节点的所述剩余能量，依据第一公式计算各节点的能量效益值P；
判断模块，用于判断所述各节点的所述能量效益值是否大于预设值，若是，则所述节点满足簇头竞争条件。
优选的，所述选择单元包括：
第二计算模块，用于依据第二公式计算各节点的权值W；
簇头确定模块，用于选择所述权值最小的节点作为簇头节点；
其中，第二公式包括：
其中，W(Vi)表示节点Vi的中心度，dg(Vi)表示节点Vi的中心度，T(Vi)表示节点Vi担任簇头的历史时长；Tthr表示网络运行总时间，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，α+β+γ＝1。
附图说明
图1为本发明的实施例1的簇头节点选择方法的流程图；
图2为本发明的实施例2的节点分簇方法的流程图；
图3为本发明的实施例3的簇头节点选择装置的框图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种簇头节点选择方法，可用于无线传感器网络中簇头节点的选择。
现有技术中，无线传感器网络中的节点包括精简功能节点和全功能节点。其中，精简功能节点只具备全功能节点中的部分功能(例如只具备接收数据功能，而不具备转发数据功能)，其并不能作为簇头节点工作，也即不具备簇头功能。
本实施例提供的簇头节点选择方法是在全功能节点中选择节点作为簇头节点。也就是说，本实施例中的节点均指具备簇头功能的节点。
本实施例提供的簇头节点选择方法可包括以下步骤：
S11、接收各节点发送的剩余能量。
其中，节点发送的剩余能量指节点当前时刻的剩余能量值。
可以理解的是，节点的剩余能量与节点的生命力有直接关系，节点的剩余能量越多，则其可存活时间越长，可以负担的工作越多。
S12、根据剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件。
本步骤中，通过预设的簇头竞争条件来挑选一些剩余能量相对较多的节点，以在后续步骤中从这些满足簇头竞争条件的节点中选择簇头节点，从而减少后续步骤中的处理工作量。
优选的，本步骤具体包括：
S121、根据各节点的剩余能量，依据第一公式计算各节点的能量效益值P。
优选的，第一公式包括：
其中，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，E(Vi)表示节点Vi的剩余能量，Eave表示网络中所有全功能节点的剩余能量的平均值。
S122、判断各节点的能量效益值P是否大于预设值，若是，则节点满足簇头竞争条件。
由步骤S121中的第一公式可知，本实施例中的节点的能量效益值为节点的剩余能量与所有节点的剩余能量值平均值的比值。节点的能量效益值越大，则表明相对于其它节点，该节点的剩余能量要更多。具体的，能量效益值为1为例，当节点的能量效益值为小于1时，则表明该节点的剩余能量相对大部分节点的剩余能量要小；当节点的能量效益值大于1时，则表明该节点的剩余能量相对大部分节点的剩余能量要大。
可以理解的是，若某一节点要想成为簇头节点，则其剩余能量必须是相对其它节点的剩余能量要多一些。因此，本步骤中，通过设定预设值，以节点的剩余能量作为参量，从发送剩余能量的节点中选择剩余能量大于预设值的节点作为满足簇头竞争条件的节点，后续可直接在满足簇头竞争条件的这些节点中选择簇头节点。
S13、若节点满足簇头竞争条件，则获取节点的相关数据。相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长。
本步骤中，可根据预先存储的各节点的信息列表中获取各节点的相关数据。其中，可以理解的是，本步骤中只需获取满足簇头竞争条件的全功能节点的相关数据即可。
S14、根据相关数据和剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点。
本步骤中基于节点的相关数据和剩余能量计算出各节点的权值，根据权值大小确定簇头节点。
具体的步骤S14包括一下步骤：
S141、依据第二公式计算各节点的权值W。
优选的，第二公式包括：
其中，W(Vi)表示节点Vi的中心度，dg(Vi)表示节点Vi的中心度，T(Vi)表示节点Vi担任簇头的历史时长；Tthr表示网络运行总时间，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，α+β+γ＝1。
本实施例中，在后续的步骤S142中基于节点的权值选择簇头节点。可以理解的是，在选择簇头节点时，应选择中心度较高，剩余能量较多(也即能量效益值较高)，担任簇头的历史时长较短的节点(通常担任簇头历史时长较短的节点的存储空间较多，计算能力较强)。由第二公式可知，节点的权值与节点的中心度、能量效益值为负相关，与节点担任簇头的历史时长为正相关，故在选择簇头节点时，直接选择权值较小的节点即可。
其中，可以理解的是，α,β,γ为系数，三者的具体数值可根据实际情况进行设置或者调整，本实施例中对此不作限制。
S142、选择权值最小的节点作为簇头节点。
由步骤S141中的第二公式可知，权值最小的节点为综合节点的中心度、担任簇头的历史时长、能量效益值三个参量计算出的节点，该节点为簇头节点的最优选择。
本实施例提供的簇头节点选择方法中，结合各节点的剩余能量、中心度，以及担任簇头的历史时长来对节点进行挑选，以在保证无线传感器网络连通性的同时，最大限度地均衡网络能量消耗，延长网络生存时间。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供一种节点分簇方法，其包括实施例1中提供的簇头节点选择方法，可用于在无线传感器中进行节点分簇。该节点分簇方法包括：节点自检阶段和簇头节点选择阶段。
其中可以理解的是，在进行节点分簇之前，包括初始化阶段：向无线传感器网络中的各节点发送簇头竞争的消息，开启簇头竞争。
具体的，本实施例的节点分簇方法包括以下步骤：
节点自检阶段：
S01、各节点自行判断自身是否具备簇头功能。
无线传感器网络中的节点包括精简功能节点和全功能节点。其中，精简功能节点只具备全功能节点中的部分功能(例如只具备接收数据功能，而不具备转发数据功能)，其并不能作为簇头节点工作，也即不具备簇头功能。
在节点分簇的过程中，只有全功能节点能够作为簇头节节点，故本实施例中，节点在接收到簇头竞争消息后，先进行自我检测，判断自身是否具备簇头功能(也即是否为全功能节点)，若具备簇头功能，才会申请竞争簇头。
S02、若是，则节点向簇头节点选择装置发送自身的剩余能量。
本步骤中，节点在自我检测确定具有簇头功能后，向簇头节点选择装置发送自身的剩余能量，以表明该节点竞争簇头的意愿，及节点当前的情况。
簇头节点选择阶段：
簇头节点选择装置选择簇头节点。具体的，簇头节点选择装置可根据实施例1中提供的簇头节点选择方法在具备簇头功能的节点中选择簇头节点。具体的，簇头节点可包括以下步骤：
S11、簇头节点选择装置接收各节点发送的剩余能量。
可以理解的是，本步骤中的节点为经节点自检阶段进行我自我检测以后的节点，也即为全功能节点。节点发送的剩余能量指节点当前时刻的剩余能量值。
S12、根据剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件。
S13、若节点满足簇头竞争条件，则获取节点的相关数据。相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长。
S14、根据相关数据和剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点。
本步骤中基于节点的相关数据和剩余能量计算出各节点的权值，根据权值大小确定最佳的簇头节点。
上述簇头节点选择阶段的具体步骤可参考实施例1，本实施例中对此不再赘述。
优选的，本实施例提供的节点分簇方法中，在选择出簇头以后，还包括以下步骤：
S21、将簇头节点信息发送给其它各节点。
S22、其它节点向簇头节点发送加入请求。
S23、簇头节点根据各节点发送的请求将节点纳入簇结构。
上述其它节点加入簇头节点，形成簇结构，之后进行通信的具体方案可参考现有技术，本实施例中对此不再详述。
在此需要说明的是，本实施例提供的节点分簇方法为单次分簇的步骤，在实际的无线传感器网络运行过程中，可根据一定的周期，依照本实施例提供的节点分簇方法进行重新分簇，对簇头进行重新选择，以在保证网络连通性的前提下，保证网络能量的均衡消耗，延长网络生存时间。
实施例3：
如图3所示，本实施例提供一种簇头节点选择装置，包括：接收单元、判断单元、数据获取单元和选择单元。其中，
接收单元用于接收各节点发送的剩余能量。
判断单元用于根据剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件。
数据获取单元用于当节点满足簇头竞争条件时，获取节点的相关数据；相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长。
选择单元，用于根据各节点的相关数据和剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点。
优选的，判断单元包括：第一计算模块和判断模块。其中，
第一计算模块用于根据各节点的剩余能量，依据第一公式计算各节点的能量效益值P。
判断模块，用于判断各节点的能量效益值是否大于预设值，若是，则节点满足簇头竞争条件。
优选的，选择单元包括：第二计算模块和簇头确定模块。其中，
第二计算模块用于依据第二公式计算各节点的权值W。
簇头确定模块用于选择权值最小的节点作为簇头节点。
其中，第二公式包括：
其中，W(Vi)表示节点Vi的中心度，dg(Vi)表示节点Vi的中心度，T(Vi)表示节点Vi担任簇头的历史时长；Tthr表示网络运行总时间，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，α+β+γ＝1。
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)

1.一种簇头节点选择方法，其特征在于，包括：
接收各节点发送的剩余能量；
根据所述剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件；
若所述节点满足所述簇头竞争条件，则获取所述节点的相关数据；所述相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长；
根据所述相关数据和所述剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点。
2.根据权利要求1所述的簇头节点选择方法，其特征在于，所述根据所述剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件的步骤包括：
根据各节点的所述剩余能量，依据第一公式计算各节点的能量效益值P；
判断所述各节点的所述能量效益值是否大于预设值，若是，则所述节点满足簇头竞争条件。
3.根据权利要求2所述的节点分簇方法，其特征在于，所述第一公式包括：
其中，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，E(Vi)表示节点Vi的剩余能量，Eave表示网络中所有节点的剩余能量的平均值。
4.根据权利要求2所述的节点分簇方法，其特征在于，所述预设值为1。
5.根据权利要求2所述的节点分簇方法，其特征在于，所述根据各节点的所述相关数据和所述剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点的步骤包括：
依据第二公式计算各节点的权值W；
选择所述权值最小的节点作为簇头节点；
其中，第二公式包括：
其中，W(Vi)表示节点Vi的中心度，dg(Vi)表示节点Vi的中心度，T(Vi)表示节点Vi担任簇头的历史时长；Tthr表示网络运行总时间，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，α+β+γ＝1。
6.一种节点分簇方法，其特征在于，包括权利要求1至5中任意一项所述的簇头节点选择方法。
7.根据权利要求6所述的节点分簇方法，其特征在于，包括：
节点自检阶段：各节点自行判断自身是否具备簇头功能，若是，则向簇头节点选择装置发送自身的剩余能量；
簇头节点选择阶段：簇头节点选择装置根据权利要求1至5中任意一项所述的簇头节点选择方法选择出簇头节点。
8.一种簇头节点选择装置，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收各节点发送的剩余能量；
判断单元，用于根据所述剩余能量判断各节点是否满足预设的簇头竞争条件；
数据获取单元，用于当所述节点满足簇头竞争条件时，获取所述节点的相关数据；所述相关数据包括：中心度、担任簇头的历史时长；
选择单元，用于根据各节点的所述相关数据和所述剩余能量选择出最佳节点作为簇头节点。
9.根据权利要求8所述的节点分簇装置，其特征在于，所述判断单元包括：
第一计算模块，用于根据各节点的所述剩余能量，依据第一公式计算各节点的能量效益值P；
判断模块，用于判断所述各节点的所述能量效益值是否大于预设值，若是，则所述节点满足簇头竞争条件。
10.根据权利要求8所述的节点分簇装置，其特征在于，所述选择单元包括：
第二计算模块，用于依据第二公式计算各节点的权值W；
簇头确定模块，用于选择所述权值最小的节点作为簇头节点；
其中，第二公式包括：
其中，W(Vi)表示节点Vi的中心度，dg(Vi)表示节点Vi的中心度，T(Vi)表示节点Vi担任簇头的历史时长；Tthr表示网络运行总时间，P(Vi)表示节点Vi的能量效益值，α+β+γ＝1。
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