1.一种交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议实现方法,其特征在于:采用TDMA和改进的CSMA/CA交替的工作方式划分时隙;在CSMA/CA阶段采用模糊聚类的方法动态划分优先级;簇头节点采用分层随机延迟策略降低碰撞概率;
具体步骤如下:
(1)执行本协议的部署工作:
(1.1)节点功能:簇内节点可对监测数据进行筛选分类,具体分为,突发数据和周期数据;筛选原则是:当外部数据的值大于门限值,进入突发数据队列;当外部数据小于门限值,则进入周期队列数据;
(1.2)时隙分配方案:
①时隙的分配以时隙块为基础单位,每个时隙块的大小由4个时隙组成;
②FC-MAC采用以复帧为周期的时间调度机制,复帧由若干TDMA帧与交换信息阶段组成;
③在TDMA帧中,每个节点分配三个时隙块,分别用作TDMA阶段、CSMA/CA阶段和SEND阶段;
(2)初始时刻,簇内节点量化分类因素,进而生成因素向量,发送到簇头节点;
(3)簇头节点接到簇内节点的因素向量后,对其进行模糊聚类;
(4)对步骤(3)中产生的分类进行优先级的计算;
(5)根据步骤(4)的优先级信息,为每类分配不同的竞争参数;
(6)如果节点有突发数据,则在自己的TDMA阶段发送或所有CSMA/CA阶段竞争发送突发数据包;若节点没有突发数据,则在自己的TDMA阶段发送周期数据包,保证突发数据的实时性;
(7)簇头节点对接收到的数据进行融合,并在SEND阶段把融合后的信息传送给Sink节点;采用分层随机延迟的策略,在网络初始阶段,把同一Sink节点下的簇头随机延迟0、1或2个时隙块,使簇头节点分成了不同的3个时段发送数据。
2.根据权利要求1所述的一种交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议实现方法,其特征在于,步骤(2)所述的簇内节点量化分类因素过程如下:(2.1)对于传感器类型uk,不同的传感器类型分配不同的权重,其中,光电测速传感器、地磁传感器的权重为H,压力传感器、加速度传感器的权重为M,温湿度传感器、光线光栅传感器的权重为L;其中H>M>L;
(2.2)对于传输距离dk,通过接收信号强度测量其值;
(2.3)对于数据突变程度εk,可通过下面的公式求得:
其中,εk为突变程度, 为上一复帧该节点的突变程度,ε′为本次复帧内的突变程度,ζ为一个量化常数;在网络初始时刻,所有的节点量化常数相等,εk与 的初值为0;L(s)、L(c)分别为节点队列中突发数据包和周期数据包的个数;为了更适合突发数据的长期变化趋势,把δ的值限定在0.5到1之间;
(2.4)对于节点剩余能量Ek,由能量消耗模型计算,如下:
Ek=b(Eelec+Efsd2)
其中,b为发送数据的比特数,Eelec为发射电路和接收电路的能耗,Efs为传播消耗功率,d为收发节点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议实现方法,其特征在于,步骤(3)模糊聚类的过程如下:(3.1)簇头节点收集簇内节点的因素向量,U={n1,n2,n3,…,nk}表示单个簇所覆盖的区域,簇内节点个数为k;每个节点在交换信息阶段发送uk、dk、εk、Ek共m个量化因素给簇头节点,则簇内节点i发送给簇头节点的向量为ni=(ni1,ni2,ni3,…,nim),i=1,2,…,k,生成采集矩阵P;
(3.2)对矩阵P做标准化处理,得到其模糊矩阵;公式如下,
其中
经过处理得到的模糊矩阵为R;
(3.3)采用Kruskal最大树算法进行聚类,得出最终的分类;分类的个数应适中,且与现实部署相关,根据交通监控的现实情况,分为三类为最佳;Kruskal的具体算法过程如下:(3.3.1)假设节点形成连通网N=(V,E),其中,V表示网中的节点集,E表示节点之间的边集;令最大树初始状态是只有节点而无边的非连通图T=(V,{}),图中每个节点自成一个连通分量;
(3.3.2)在模糊相似矩阵的上三角中找出最大的数rij,i≠j;若该数依附的节点落在T中不同的连通分量上,则将此数作为边加入到T中,否则舍去,选择下一个最大的数;
(3.3.3)依次类推,直到T中所有节点都在同一个连通分量上为止,得出模糊相似矩阵R的最大树;
(3.3.4)选定不同的λ值,砍去最大树中低于λ的边,即得在λ水平上的分类。
4.根据权利要求1所述的一种交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议实现方法,其特征在于,步骤(4)优先级的计算,具体步骤如下:(4.1)求原始采集矩阵P的样本中心向量,计算公式如下:
得到样本中心向量
(4.2)计算每一类的中心向量,如分类后的第θ类的中心向量为
(4.3)求每类的中心向量到样本中心向量的欧氏距离;离样本中心越近,类别的优先级越高;
5.根据权利要求1所述的一种交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议实现方法,其特征在于,步骤(5)为每类分配不同的竞争参数,其中包括仲裁帧间间隔AIFS,AIFS影响节点接入的先后顺序,不同的类别θ对应不同的值,如下:AIFSθ=SIFS+Cθ×Tslot
其中,每个节点的短帧间间隔SIFS是个相等的常量,Cθ为类别系数,它的值随着类别的优先级增大而减少,动态地区分不同类别接入的先后顺序,Tslot为时隙长度;而对于不同的分类θ,节点的退避时间 则是由竞争窗口CWθ和退避指数BE两个参数: 值和 值决定的;优先级越高的类别竞争窗口CWθ的取值范围越小,使其有更高的概率竞争早期的时隙传输数据;
6.根据权利要求1所述的一种交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议实现方法,其特征在于,步骤(7)中所述分层随机延迟的策略具体如下:根据FC-MAC的时隙分配策略,网络初始时刻,Sink节点随机为每个簇头节点分配一个数值,数值在0,1,2中取;簇头节点接到这个数值之后,在网络同步开始时刻,延迟n个时隙块,这里的n就是Sink节点分配给簇头的数值;节点通过分层随机延迟策略,把同一Sink节点下的簇头分成了不同的3个时段发送数据,使以前α个簇头同时竞争的信道从物理上分隔开,每个时间段最好情况下有α/3个簇头竞争信道。