[发明专利]一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法

摘要

本发明公开了一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，每个簇至多由三个簇头，即主簇头MCH、从簇头SCH、融合簇头FCH负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信节点对负责簇间通信，SCH根据簇间通信环境决定是否参与簇间通信；成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整及簇间发射功率调整与通信模式选择。本发明能够有效降低剩余能量值很大但最大通信覆盖范围很小的节点成为簇头的概率，并能根据网络中节点最大通信覆盖范围分布的变化而自适应地调整成簇范围，从而确保簇间总能连通；通过引入一个FCH来分担簇内MCH的负载，以略微增加的簇形成控制开销取得了簇结构寿命的较大提升。

主权项

1.一种成簇范围与簇间通信模式双自适应的改进成簇方法，其特征在于，每个簇至多由三个簇头，即主簇头MCH、从簇头SCH、融合簇头FCH负责管理，其中，FCH负责簇内数据汇聚与融合，MCH和SCH组成协同通信“节点对”负责簇间通信，SCH根据簇间通信环境决定是否参与簇间通信；成簇方法包括簇形成、簇内发射功率调整及簇间发射功率调整与通信模式选择三个阶段；在簇形成阶段依次执行邻居发现、MCH选举、SCH选举、簇成员关联与FCH选举四个算法；定义如下消息格式以便于相互交换信息：[IDt,et,pt,max,dt,max,Lt,nei＝{…,(IDi,di,t),…}]，其中，IDt,et,pt,max,dt,max和Lt,nei分别是节点t的标识符、剩余电池量、最大发射功率、近似最大通信覆盖范围和邻居列表；节点t的邻居列表Lt,nei中的表项(IDi,di,t)由该邻居i的标识符IDi和它到节点t的距离di,t组成；任意两个节点i和j间的距离di,j可使用公式(1)得到：在公式(1)中，pti,j是节点i向节点j发射数据时的发射功率，pri,j是节点i向节点j发射数据时节点j的接收功率；Gt和Gr分别为发射天线和接收天线增益；ht和hr分别为发射天线和接收天线高度；λ为载波信号波长；L为系统损耗因子；dcrossover表示交叉距离，使用公式(2)计算：所述邻居发现算法为：在任一节点u上运行下列步骤：步骤1.1：输入控制参数Nmax；初始化变量Lu,nei为空，du,max和计数变量N分别为0；步骤1.2：节点u使用CSMA/CA竞争接入信道，若成功接入到信道，则用最大发射功率pu,max广播消息“[IDu,eu,pu,max,du,max,Lu,nei]”，设置定时器tΔ的值为Δ，并且初始化布尔变量FLAG1和FLAG2的值分别为“假”，进入步骤1.3；若没有成功接入信道，则重新进行步骤1.2；步骤1.3：在预设的时间Δ内，若节点u收到任一节点v的消息“[IDv,ev,pv,max,dv,max,Lv,nei]”，且v不在Lu,nei中，则记录接收功率prv,u并使用公式(1)计算距离dv,u.，并且将(IDv,dv,u)添加到Lu,nei中；若du,max小于计算出来的dv,u，则将dv,u赋值给du,max，并且置FLAG1的值为“真”；步骤1.4：在预设的时间Δ内，若节点u收到任一节点v的消息“[IDv,ev,pv,max,dv,max,Lv,nei]”，且u不在Lv,nei中，则置FLAG2的值为“真”；步骤1.5：若FLAG2的值为“真”，则将N的值增加1；步骤1.6：若N小于Nmax且FLAG1的值或者FLAG2的值中任一个为真，则返回步骤1.2；否则结束，并输出节点u的所有邻居的标识符；所述MCH选举算法基于执行邻居发现算法得到的节点u的所有邻居的标识符信息，使用公式(3)和(4)计算节点u的成簇半径Ru,intra，并且使用公式(5)计算节点u的MCH度量值MMu；选择具有最大MCH度量值的节点作为MCH；Ru,intra＝μ·Ru,av    (4)在公式(3)中，Ru,av表示节点u邻域范围内所有节点的近似最大通信覆盖范围的平均值，|Lu,nei|表示节点u的邻居列表中的邻居数量；若节点u成为MCH，它将使用公式(4)计算它所在簇的簇半径Ru,intra；在公式(4)中，μ是一个折扣系数，取值范围为0<μ<1，通常μ近似取1/3；在公式(5)中，we和wr分别是能量权值和通信覆盖范围权值，其取值范围为0所述簇成员关联与FCH选举算法，用于进行簇成员关系的确认，并由公式(7)计算簇成员的FCH度量值，选举具有最大FCH度量值的簇成员作为FCH节点；在公式(7)中，FMw,v,u表示节点w的FCH度量值，该值由MCH节点u计算，并与MCH节点u对应的SCH节点v的位置相关；σw,v,u是表示节点w,v,u三者中两两之间距离的均方差。