1.无线传感器网络中基于数据相似度的节点休眠调度方法,其特征在于:其步骤为:步骤1:网络分簇完成后,传感器节点周期性地采集感知数据;采集一轮为一个周期,每个周期划分两个任务阶段:收集阶段和调度阶段;
步骤2:收集阶段:簇内活动传感器节点周期性地收集感知数据,每个周期结束后,节点将感知数据信息与邻居表一同发往簇头,簇头将数据聚合后发往BS;
步骤3:调度阶段:BS根据不同子周期内的感知数据构造模糊矩阵,然后利用相似度阈值与节点邻居表进行聚类分析,得到每个子周期的冗余节点集合分别记为RN1,RN2,RN3;
步骤4:根据步骤3中得到的冗余节点集合取并集,得到最终冗余节点集合记为RN=RN1∪RN2∪RN3;RN1,RN2,RN3取并时,以节点的邻居情况为合并标准;
步骤5:针对RN中的聚类情况,采用对应的休眠节点选择方法筛选出休眠节点;
步骤6:休眠节点选出后,BS广播相关信息,进行休眠调度。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于数据相似度的节点休眠调度方法,其特征在于:步骤2中所述的收集阶段具体方法为:收集阶段:将每个周期划分为3个子周期,每个子周期包括数据收集与数据传输,该阶段在簇内和簇间进行;每个子周期簇内活动传感器节点采集感知数据后形成数据矩阵,并将感知数据与节点邻居表一同发往簇头;当所有子周期结束后,簇头将信息聚合,通过单跳或多跳方式发往BS。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于数据相似度的节点休眠调度方法,其特征在于:步骤3中所述的调度阶段和聚类分析具体方法为:
3.1)调度阶段:包括节点聚类分析、休眠节点选取和休眠节点调度,该阶段在BS进行;
BS根据每个子周期的感知矩阵构造相应的模糊等价矩阵进行聚类分析,每个子周期得到一组冗余节点集合;然后通过3组冗余节点确定最终的冗余节点,最后根据休眠节点选择方法筛选出休眠节点,进行休眠调度;
3 .2)传感器节点i在第p个子周期结束后形成的感知数据矩阵记为则第p个子周期内簇内活动节点收集的感知数据形成的矩阵记为Xp,表示如下:
其中:m为簇内活动传感器数量,k表示子周期k个时隙内传感器收集的感知数据的数量;
3.3)根据模糊聚类分析理论可知,传感器节点i与传感器节点j的感知数据间的相似度由公式(1)计算可得:其中:xih表示传感器节点i在第h个时隙收集的数据,xi表示节点i的数据均值,0≤sim(i,j)≤1;
模糊相似矩阵S=(sim(i,j))m×m,表示如下:
3.4)将模糊相似矩阵进一步扩展为模糊等价矩阵:从模糊相似矩阵R出发,依次求平方: 当第一次出现公式(2)时:则Rk为所求的模糊等价矩阵;
模糊相似矩阵S根据上述公式计算可得模糊等价矩阵E(S),表示如下:聚类原则:由具体网络环境给定一个相似度阈值δ,若任意两个邻居节点的感知数据间的相似度大于δ,则得到一组冗余节点{i,j,k},并将冗余节点聚为一类;
根据上述聚类原则,可将节点聚类分为两类:基础类和扩展类;扩展类可扩展出具有相同聚类特征的不同表示。
4.根据权利要求3所述的无线传感器网络中基于数据相似度的节点休眠调度方法,其特征在于:3.4)中所述的基础类和扩散类具体为:
3.4.1)基础类:冗余节点A={i,j,k,…}聚为一类,即所有冗余节点互为邻居;
3.4.2)扩展类:
3.4.2.1)令A={i,j,k,…},B={i,p,q,…},A中所有节点互为邻居,B中所有节点互为邻节点;A中的节点和B中的节点不是邻居节点但存在公共节点;对其分别聚类,得到冗余节点集合A∪B={{i,j,k,…},{i,p,q,…}};
此种聚类可扩展到多种情况,此种聚类的共同特征为:公共冗余节点被不同集合所包含;
3.4.2.2)令A={i,p,q,…},B={j,m,n,…},C={i,j},对其分别聚类,得到冗余节点集合A∪B∪C;
此种聚类可扩展到多种情况,此种聚类的共同特征为:公共类中的所有节点分别被不同集合所包含;
3.4.2.3)令AS={i,j,k,…},B={j,m,n,…},C={i,p,q,…},对其分别聚类,得到冗余节点集合A∪B∪C;
此种聚类可扩展到多种情况,此种聚类的共同特征是:公共类中的部分节点分别被不同集合所包含。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络中基于数据相似度的节点休眠调度方法,其特征在于:步骤5中所述的休眠节点选择方法具体过程如下:
5.1)基础类3.4.1)中休眠节点选择方法
假设每轮每个子周期传感器节点向簇头发送l比特数据,根据能量衰减模型可知,传感器节点i可工作的轮数Ri为:其中:Einit为节点的初始能量,Eelec为射频能耗系数,εfs为自由空间模型下的放大器能耗系数,dtoCH为节点到簇头的距离;则第r轮时,节点i在第p个子周期维持活动状态所需要的剩余能量 为:其中:r为活动节点的当前工作轮数,r’为休眠过的节点的当前工作轮数,p为该轮中第p个子周期;第p个子周期冗余节点的平均剩余能量 为:其中:k为当前聚类中冗余节点的数量;当冗余节点的当前剩余能量低于平均剩余能量时,即:则将该冗余节点选为休眠节点;其中:Eres为冗余节点的剩余能量;
5.2)扩展类3.4.2.1)中休眠节点选择方法
分别计算集合A,B中冗余节点的平均剩余能量 对冗余节点i,当且仅当时,节点i作为休眠节点,除上述情况外,节点i不作为休眠节点;分别取 中对应的冗余节点作为休眠节点;A-A∩B表示集合A中除公共节点外的其他节点;当公共冗余节点不止一个时,需对每个节点都进行判断是否作为休眠节点;
5.3)扩展类3.4.2.2)中休眠节点选择方法
分别计算 分别取 中对应的冗余节点作为休眠节点;
5.4)扩展类3.4.2.3)中休眠节点选择方法
分别计算 对冗余节点i,当且仅当 时,节点i
必作为休眠节点,除上述情况外,节点i不作为休眠节点;采用上述方法判断冗余节点j是否作为休眠节点;分别取 中的对应的冗余节点作为休眠节点。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于数据相似度的节点休眠调度方法,其特征在于:步骤6中所述的休眠调度具体实现如下:
6.1):网络初始化时,每个传感器节点维护一个轮数计数器Count,初始值为0;每进行一轮数据收集,Count值加1;
6.2):传感器节点通过步骤2中的收集方法进行感知数据收集,最后将感知信息与邻居表信息一同发往簇头;
6.3):簇头通过步骤3-5中提出的聚类分析以及休眠节点筛选方法选出休眠节点,最后,BS广播休眠节点ID号;
6.4):节点收到消息后,进行以下两项检查:
6.4.1)判断自身是否为休眠节点,若是,则进入休眠状态。休眠中节点经过预设的休眠时间后被唤醒,重新进入活动状态;
6.4.2)判断休眠节点是否是其邻居节点,若是,则将邻居表中节点Mode值修改为S;
6.5)一轮结束后,簇头检查当前剩余能量是否低于阈值,若是则重新执行分簇算法;否则继续下一轮数据收集;重复执行6.2),直至网络生命周期结束为止。