基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108770029A(43)申请公布日2018.11.06(21)申请号201810409077.2(22)申请日2018.05.02(71)申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号(72)发明人李冬辉李林郑博文(74)专利代理机构天津盛理知识产权代理有限公司12209代理人王利文(51)Int.Cl.H04W40/02(2009.01)H04W40/04(2009.01)H04W40/10(2009.01)H04W84/18(2009.01)H04L12/715(2013.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议(57)摘要本发明涉及一种基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议，采用K-means++聚类算法通过迭代将网络分为k个最优的固定簇，首轮簇头由汇聚节点通过模糊系统计算各个节点的优先度，排序后指定簇内优先度最大的节点为簇头节点；随后每轮开始，簇头节点记录簇内节点距离和能量信息，通过模糊系统计算优先度，排序后将优先度最大的作为下轮簇头。本发明设计合理，其仅在第一轮时参与簇头选举，之后簇头选举便分布式运行，每轮的簇头节点可以直接决定下轮簇头的节点ID，无需簇内节点与汇聚节点直接通信，大大降低了能耗，提高了网络性能。CN108770029ACN108770029A权利要求书1/2页1.一种基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议，其特征在于包括以下步骤：步骤1、汇聚节点采用聚类算法通过迭代将无线传感器网络分为k个最优的固定簇；步骤2、汇聚节点用基于模糊系统的分簇算法计算出模糊规则，将模糊规则以及每个节点自身的节点到汇聚节点的距离Dtos、节点到簇的中心点的距离Dtoc和所属的簇的编号分发给每个节点；步骤3、首轮汇聚节点通过模糊系统计算出每个簇中簇头的优先度Pchoose的最大值，拥有最大簇头的优先度Pchoose的节点为所在簇的簇头，汇聚将簇头的节点ID以及对应簇的编号广播，节点识别出并记录所在簇的簇头ID；步骤4、簇内通信采用TDMA方式，簇头节点给各个簇内节点分配时隙，每轮最后一个时隙空出，用来广播下轮簇头的节点ID；簇内节点在自己的时隙内将自己的剩余能量、汇聚节点的距离Dtos、节点到簇的中心点的距离Dtoc和采集的数据发送给簇头，簇头接收、融合簇内节点采集的数据，处理后将数据包转发给汇聚节点；步骤5、簇头节点在完成本轮簇内节点数据传输后，将收到的簇内各节点的剩余能量归一化，计算节点的剩余能量Eres，采用模糊系统计算出最大簇头的优先度Pchoose，找出最大的Pchoose的节点ID，作为下一轮簇头，并将其广播；步骤6、网络正常工作时，重复步骤4和步骤5。2.根据权利要求1所述的基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议，其特征在于：所述步骤1采用K-means++聚类算法进行节点分簇，其具体方法如下：⑴从节点的坐标集合X＝{x1,x2,..,xm,..,xn}中随机选择一个节点作为第一个簇的中心点，记作c1；⑵计算每个节点到新的簇的中心点的距离，计算方法为：从X中选取一个新的节点xm作为新的簇的中心点cp，节点xm到cj的Euclidean距离记作d(xm,cj)，xm被选取的概率为：其中p∈{1,...,k}；⑶重复步骤⑵直到k个簇的中心点被选出来；⑷计算每个节点到每个簇的中心点的距离，将节点分配给距离最近的簇中心，节点xi∈Cp，Cp簇的中心点cp所在簇的节点的集合；⑸对每个簇p∈{1,...,k}，将其新的簇的中心点定为⑹计算函数其中当xi∈Cp时，rim为1，时，rim为0；⑺重复步骤⑷和步骤⑸,直到函数J与上一轮的函数J相差小于设定的阈值或者达到设定的代数。3.根据权利要求1所述的基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议，其特征在于：所述步骤2使用的模型系统由模糊器、模糊规则、模糊推理以及解模糊器构成，模型系统有如下三个输入：节点到汇聚节点的距离、节点到簇的中心点的距离以及节点的剩余2CN108770029A权利要求书2/2页能量，三个输入经过模糊器模糊化后送入模糊推理，模糊推理根据模糊规则输出推理结果，将推理结果通过解模糊器解模糊化得到输出。4.根据权利要求3所述的基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议，其特征在于：所述模型系统的三个输入需要进行归一化处理，归一化处理后的节点到汇聚节点的距离、节点到簇的中心点的距离以及节点的剩余能量分别记作Dtos、Dtoc和Eres；并且将Dtos和Dtoc分为3个等级，采用梯形隶属度函数，将Eres分为5个等级，采用三角形隶属度函数，输出为节点成为簇头的优先度记为Pchoose，分为9