一种认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建与路由方法
【专利摘要】一种认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建与路由方法，根据距离SN由近至远的顺序，通过若干轮簇构建操作构建大小不均匀的若干簇；除了直接与汇聚节点SN通信的传感器节点SUs，其它的SUs都被唯一的簇覆盖；每一轮簇构建操作都依次执行簇半径计算、簇头即CH选择、簇信道选择和簇结构形成；在簇半径计算过程中，分析三种情况的能量消耗情况：与SN近距离的节点能量消耗情况、最靠近SN的簇的簇头能量消耗情况、其它离SN较远的簇的簇头能量消耗情况，通过构建非均匀簇来均衡网络中节点的能耗。综合考虑节点的剩余能量、可用信道数和与上流簇头的距离三个方面来选择簇头。本发明有利于均衡网络中节点的能耗，延长网络寿命。
【专利说明】
-种认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建与路由方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，设及一种认知无线传感器网络中无公用信道的簇 构建与路由方法。
【背景技术】
[0002] 认知无线电（Cognitive Radio，CR)是一种智能通信系统，它可W使未经授权的二 级用户（SecondaiT Users，SUs)在对初级用户（PrimaiT Users，PUs)不产生干扰的情况下， 感知和使用空闲频谱。通过有效地使用频谱资源可W提高网络性能。把CR功能配置在无线 传感器节点（Sensor)上，由此形成了一种新的网络形态，即认知无线传感器网络 (Cognitive Radio Sensor Network，CRSN)。
[0003] 在CRSN中，Sensor可w通过频谱感知探测可用信道，并通过频谱决策来选择通信 信道。一旦PU出现在Sensor的通信信道上，Sensor就能够立刻检测到并转换到其他空闲信 道。
[0004] 由于CRSN是WSN(Wireless Sensor化twork，无线传感器网络）和CR的结合，因此 在CRSN中，不仅需要考虑来自WSN的能量约束问题，而且需要克服频谱感知和频谱管理的问 题。已有研究工作表明簇结构可W有效地减少WSN中的能量消耗，可W支持CR操作的协作， 如频谱感知和信道访问，是一种有效管理拓扑，增加系统容量、网络性能和稳定性的结构化 方法。
[0005] 近年来，有些国内外学者提出了 CRSN中的簇构建算法U-W。在运些簇算法研究工作 中，簇的形成W及信道选择过程中，均考虑了能量和频谱问题，旨在于延长网络的寿命。已 有研究工作存在W下考虑不足之处：
[0006] (1)网络中需要至少一条全局公共信道（CommonControl化annel，CCC)用于信息 传输，运在实际环境下是很难实现的。
[0007] (2)已有工作通过最小化总的能量消耗来延长网络的寿命。然而，要延长网络的寿 命，仅仅通过最小化总的能量是不够的，还需要均衡网络中节点的能量消耗。
[000引目前，CRSN是热口的研究课题，国内外研究学者针对其中的能耗与频谱分配提出 了一些簇算法n-9]。
[0009] 文献[3]中，作者提出了一种频谱感知簇路由协议SCR，它是CRSN中第一个同时考 虑能量和频谱约束的路由协议。文献[4]在SCR的基础上提出了基于频谱感知簇的能量有效 多媒体路由协议SCEEM。在SCEB1中，W最小化由于包丢失和延迟导致的多媒体质量崎变为 约束优化网络中簇的个数。
[0010] Eletreby et al.[5]等人提出了CogLEACH协议。CogLEACH采用空闲信道数作为每 个节点成为簇头的概率的权重。相比LEACH而言，它提高了网络的吞吐量和寿命。然而， CogLEACH没有考虑能量均衡W及需要全局CCC。
[0011] 文献[6]提出了一种分布式频谱感知簇算法DSACdDSA讶隹导出了最优簇数目并且 最小化通信能耗。在DSAC中，W通信功率最小来组织成簇，通过簇内数据聚合和簇间中继来 实现能量节约。然而，为了实现簇内节点的能量均衡，簇内所有节点都有相同的概率成为簇 头。
[0012] Ozger et al.[7]提出了一种事件驱动频谱感知簇算法ESACdESAC为每一个事件形 成临时簇，并且只在事件与sink节点之间成簇。在成簇的过程中，ESAC两跳节点间的可用信 道数和成员节点数W确保网络的连通度。然而，在ESAC中，簇成员和簇头CH之间的通信是单 跳的，并且ESAC是事件驱动型的，不适用与其他的网络场景，如事件驱动型网络。
[0013]在文献[8 ]中，提出了 一种化能量自适应非均匀分簇算法L E A U C Η (lowenergyadaptive uneven clustering hierarchyKLEAUCH不仅考虑了信道资源多余 降化能量消耗的优势，而且通过采用非均匀分簇来均衡多跳传输中CH的能耗。然而，LEAUCH 假设网络中至少有一条全局CCC并且簇半径只依赖于CH到sink的距离。
[0014] 在文献[9]中，提出了一种能量有效的采用临时支持节点的压缩簇方法CENTER。它 引入了临时支持节点的概念来提高簇的形成。Sensor能够有效地找到对应的CH。然而，临时 支持节点需要消耗较多的能量帮助其他节点找到相应的CH。
[0015] 上述策略可^较好地在CRSN中运行。然而，在现实中，全局CCC是难于实现的。为了 延长网络的寿命，必须均衡网络中节点的能耗。
[0016] 参考文献
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【发明内容】
[0028] 本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种认知无线传感器网 络中无公用信道的簇构建与路由方法，有利于均衡网络中节点的能耗，延长网络寿命。
[0029] 本发明所采用的技术方案为：
[0030] -种认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，设认知无线传感器网络中 有一个汇聚节点SN(Sink Node)，Μ个初级用户PUs和N个二级用户SUs;N个SUs作为采集数据 的传感器节点，均匀分布在WSN为中屯、半径为R的圆形区域内，节点密度为P;
[0031] 给定参数ro,与汇聚节点SN近距离，即距离不超过ro的传感器节点洲S直接把数据 传送给SN;其它SUs通过簇结构组织起来，并通过簇路由方式把数据转送至SN;
[0032] 根据距离SN由近至远的顺序，通过若干轮簇构建操作构建大小不均匀的若干簇； 除了直接与汇聚节点SN通信的传感器节点SUs,其它的SUs都被唯一的簇覆盖;每一轮簇构 建操作都依次执行簇半径计算、簇头即CH选择、簇信道选择和簇结构形成;第i(i ^ 1)轮簇 构建过程中得到的簇头称为第i轮簇头，形成的簇称为第i轮簇；
[0033] 第1轮簇半径η计算根据W下方程组进行：
[0034]
[0035] 其中，ΕΟ为与SN近距离的节点的单位时间最大能耗，φ为节点数据生成率;Eelec为 单位比特数据在传输线路上的能量消耗;Efs和Camp为传感器无线信号放大器在近、远距离传 输时的能量消耗参数；
[0036] El为第1轮簇头的单位时间能耗，即最靠近SN的簇的簇头(无上流簇头）的单位时 间能耗;ri为第1轮簇的簇半径;S为数据聚合率，Edf为单位数据聚合所需要的能耗地sink为 第1轮簇头与SN的平均距离；
[0037] 第i(i〉l)轮簇半径ri计算根据W下方程组进行：
[00；3 引
[0039] Ei为第i轮簇头的单位时间能耗，第i轮簇头离SN较远，有上流簇头;ri为第i轮簇的 簇半径，ri-l则为第i-1轮簇的簇半径;di,sink为第i轮簇头与SN的平均距离，巧为第i轮簇头 与其上流簇头的平均距离;Efs和Camp为传感器无线信号放大器在近、远距离传输时的能量消 耗参数。
[0040] 其中，
[0041] di,sink = r〇+ri；
[0042] d- = r;_i + Τι·,
[00创 d村她二。）+ 2 0 +。。
[0044] 所述簇头选择包括W下步骤：
[0045] 定义节点值NV作为选择CH的度量标准；
[0046] 对于第i轮簇构建操作，计算与SN距离为1和1+化1之间的环形区域内各个未被簇 覆盖的节点的节点值NV，选择具有最大节点值NV的节点作为CH;
[0047] 其中，节点Si的节点值NV(i)定义如下：
[004引
[0049] 式中，f化）、g(C)和MD)分别表示能量因子、信道因子和距离因子，为节点剩余能 量、可用信道和距离的归一化函数;α、β和丫分别为fXE)，g(C)和KD)的权重系数，并有α+β+ 丫 =1;Ειηι为节点Si的初始能量，巧es为节点Si的剩余能量，I。为节点Si与其上流邸的公共 信道数，I Cl I为节点Si的可用信道数，I C I为信道总数，dwri础为节点Si与SN的距离，1为第i 轮环形区域内边界与SN的距离，有
[0050] 每一个节点都将自身信息传送至SN，自身信息包括:剩余能量、可用信道和位置； SN由内向至外，即由近至远选择CH，每一轮都选择具有最大节点值NV的节点作为CH。
[0051] 所述簇信道选择包括W下步骤：
[0052] 定义信道值CV来表示信道的价值，作为选择簇信道的度量标准；
[0053] 对当前簇CH的每一条可用信道，计算其信道值CV;选择具有最大信道值CV的可用 信道作为簇信道；
[0化4]设当前簇CH的可用信道集为Ch，上流簇CH的可用信道集为Cuph，Cc = Ch η Cuph为当前 簇CH与上流簇CH的共用信道集合;则当前簇CH的可用信道Cl的信道值CVi定义如下：
[0化5]
[0056] 式中，I醒11和I NNi I分别表示簇信道为Cl时簇成员和中继节点的数量;k为预设常 数，可取值为1。
[0057] 所述簇结构形成过程为:令Sm是簇Η的簇头，簇结构形成时，首先由Sm广播簇建立信 息CEM，CEM中包含了 sm的位置信息;然后，收到CEM并且满足约束条件的SU向sm回复簇加入信 息CJM，成为簇Η的簇成员；最后，Sm把获得的簇成员信息发送给SN，SN更新节点状态进入下 一个簇的簇结构形成过程；
[005引其中，约束条件是指：
[0059] 令Sm对应的簇信道和簇半径为Cm和rm;SUsi(SiES)归属于簇Η需要满足W下约束：
[0060] (1)不属于其它簇，且每一个SU只能属于一个簇；
[0061] (2)S1的可用信道中包含簇信道Cm;
[006^ (3)Sm与Si之间的距离小于或等于簇半径rm，即成柄 < 咕。
[0063] 一种认知无线传感器网络中无公用信道的路由方法，与SN近距离，即距离不超过 ro的SUs直接把数据传送给SN;其它SUs通过权利要求1~6所述的簇构建方法形成簇结构， 并通过W下簇路由方式把数据转送至SN;
[0064] (1)簇成员的下一跳：如果节点到CH的距离小于通信半径，则将数据直接发送至 CH;否则，将数据发送给离CH最近的簇内邻居节点;通过簇内多跳传输将数据传送至SN;
[00化](2)CH的下一跳：
[0066] 对于没有上流CH的CH，CH直接将数据发送给SN;
[0067] 对于有上流CH的CH，如果CH与上流CH有公共信道，那么CH直接将数据发送至其上 流CH;否则，C聞尋数据发送至中继节点，通过中继节点的转发到达上流CH;记CH所在簇为当 前簇，上流CH所在簇为上流簇，则在上流簇中，与当前簇相邻，且当前簇的簇信道为其可用 信道的节点称为CH的中继节点；由于地理位置紧密相邻的节点可W感知到相同的信道，因 此中继节点存在于当前簇与上流簇覆盖范围的交接处或者相邻处，中继节点可实现当前簇 头与上流簇头之间的数据中继。
[0068] 本发明的原理为：
[0069] 网络模型
[0070] 设网络中有一个汇聚节点SN(Sink Node)，M个初级用户PUs和N个二级用户SUs，N 个SUs作为采集数据的传感器节点，均匀分布在WSN为中屯、半径为R的圆形区域内，节点密 度为P;
[0071] 下述所提节点，如无特别说明，均指作为SU的传感器节点。每个SU周期性地感知环 境信息并生成数据，所有的SUs具有相同的数据生成率Φ;P={pl，P2，···，PM}和S=レl， S2，…，Sn}分别为PUs和SUS的集合；网络中有Q个正交信道，用C = { C1，C2，…，CQ }来表示，其中 Cl表示第i个信道;PUs能直接使用被授权的信道，SUs通过频谱感知监测到可用信道并且只 能W-种随机的方式使用未被PUs使用的信道;每个节点i都有一个可用信道集，用Cl来表 示；
[0072] 本发明中，假设信道感知阶段已经结束并且空闲信道在成簇过程中不会发生改 变，也就是说，本发明不考虑频谱感知阶段。洲S-旦部署完成之后就静止不动，因此，对于 任何一个节点来说，它的邻居节点不会发生变化直到节点死亡。两个SU(Si和sj)能够相互通 信需要同时满足W下两个约束：
[0073] (1)有相同的空闲信道，即G η C,' * 0;
[0074] (2)si和sj和之间的距离di,j在允许的通信范围，即通信半径Rt内，即di, j < Rt。
[00巧]能量模型
[0076] 设网络中所有SUs的初始能量都为Eini，并采用与文献[10] -样的能耗模型，即节 点传输1比特数据至Ud距离所需要的能量消耗Emember为：
[0077]
[0078] 其中，Eelec为单位比特数据在传输线路上的能量消耗，由电路所使用的编码、模 型、滤波器等决定。do为一个阔值，取值与传感器无线信号发射与接收设备有关，近距离传 输(传输距离d<d〇)时，传输单位比特数据带来的功率放大能量消耗为Efsd2;当传输距离较 大(d含do)时，障碍物增多，干扰增大，由此带来的单位比特数据功率放大急剧增加为Eampd4; Efs和Eamp为放大器在近、远距离传输时的能量消耗参数，在硬件设计时确定。
[0079] 节点接收1比特数据所需要的能量消耗为：
[0080] Er(1) =化 elec (2)
[0081 ]为了降低能耗，簇头C聞尋收集到数据先进行聚合再发送给下一跳;假设数据聚合 率为S，.Edf为单位比特数据聚合所需要的能耗。
[0082]簇构建方法
[0083] 本发明提出无公用信道的簇构建与路由机制（Non Common Channel Clustering and Routing，NCCCR)，包括簇构建算法及其路由机制，路由机制在下节具体描述。其中，簇 构建的主要目标在于:将整个网络划分为多个区域，并确保在网络没有全局公共信道CCC的 情况下，保证区域之间的连通度，并实现能量均衡。由于网络中没有全局公共信道CCC，因 此，确保网络连通度是一个挑战。
[0084] 给定参数Π )，与SN近距离，即距离不超过Π )(近距离）的SUs直接把数据传送给SN;其 它洲S通过簇结构组织起来，并通过簇路由方式把数据转送至SN;NCCCR簇算法通过若干轮 操作构建大小不均匀的若干簇；除了直接与SN节点通信的SUs，其它的SUs节点都被唯一的 簇覆盖;每一轮操作执行簇半径计算、簇头选择、簇信道选择和簇结构形成。NCCCR簇算法执 行过程如附录图1所示。
[0085] 每一轮针对特定的环形区域节点建簇，簇半径的大小根据实时能量消耗情况来确 定，通过非均匀簇实现网络能量均衡。如附录图2所示，与SN距离越远簇半径越大，算法第i 轮就是在图中灰色区域内，选择簇头，建立若干个Wri为簇半径的簇，覆盖区域内所有节 点。第i轮簇头的数据将经由邻近的第i-1轮簇头转发到达SN。假设簇头C出的数据由其邻近 簇头CHj转发，则称CHj为C出的上流簇头(Upstream CH)。
[0086] -个簇的建立包含四个阶段:簇半径计算、簇头选择、簇信道选择、簇结构形成。接 下来对NCCCR簇算法中簇半径计算、簇头选择、簇信道选择、簇结构形成过程进行详细分析 和说明。
[0087] 1、簇半径计算
[0088] 在多跳网络中，节点能耗不均衡是制约网络寿命的重要因素，本发明采用非均匀 簇来均衡网络中节点的能耗。本发明所关注的无线传感器网络用于收集节点产生的数据并 汇聚于SN节点，根据本发明假设及簇结构的特点，数据传输过程分成Ξ种情况：（1)与SN近 距离的节点直接把数据发送给SN; (2)对第一轮产生的簇，也即是最靠近SN的簇，簇内数据 由簇头直接发送给SN; (3)对其它离SN较远的簇，簇内数据由其簇头发送给上流簇头，经过 其它簇头的（多跳)转发到达SN。簇头负责汇聚簇内数据，同时需要转发来自其它簇的数据， 是能量消耗最大的节点。
[0089] 分析上述Ξ种情况的能量消耗情况：
[0090] (1)与SN近距离的节点能量消耗情况
[0091] 如果洲节点到SN的距离小于或等于ro,那么节点将数据直接发送至SN;根据能量 模型，节点的单位时间最大能耗为：
[0092]
[0093] 其中，取为节点数据生成率，a和b的值根据ro是否大于do取定，参见式（1 )，如果ro 小于 do,贝lja=efs、b = 2;否则，a = eamp、b = 4。
[0094] (2)最靠近SN的簇的簇头能量消耗情况
[00巧]用化1来表示没有上流CH的CH集合，那么化1中的CH直接将数据传送给SN;在NCCCR 算法中，化1中的簇头对应于NCCCR算法第1轮产生的簇头，下称为第1轮簇头，其簇半径为ri， 单位时间能耗为El。
[0096] 对任一第1轮簇头，单位时间能耗El为簇内和簇间通信的单位时间能耗之和，如式 (4)：
[0097]
[009引式(4)中，及f和巧ut分别为第1轮簇头用于簇内和簇间通信的单位时间能耗;Chi 中簇头总数Num(化1)为区域总面积除W簇面积，见式巧）。
[0099]
[0100] 需要化1中各簇头转发的单位时间数据总量化ta(化1)为相关面积与节点密度和数 据生成率的乘积，见式(6):
[0101]
[0102] 巧"为第1轮簇头用于簇内数据通信的单位时间能耗，计算方法见式(7):
[0103]
[0104] 其中，3为数据聚合率，E壯为单位数据聚合所需要的能耗，山,sink为第1轮簇头与SN 的平均距离，由于簇半径为ri，簇边沿与SN的最短距离约为ro,可近似取值为di,sink = r〇+ri; [01化]Efw为第1轮簇头用于簇外数据的单位时间通信能耗，计算方法见式(8):
[0106]
[0107] a和b的值与情况(3)中类似，根据di,sink是否大于do取定，参见式（1)。
[0108] (3)其它离SN较远的簇的簇头能量消耗情况
[0109] 令化X为算法第i(i〉l)轮产生的簇头集合，运些簇头的数据需由上流簇头转发给 SN;对任一第i(i〉l)轮簇头，其单位时间能耗El为簇内和簇间通信的单位时间能耗之和，如 式(9):
[0110]
[0111]设ri为第i轮簇的簇半径，与情况(2)中分析同理，可得第i轮环形区域簇头节点数 目和该区域簇头需要转发的簇间数据总量，从而得到式(10)和(11)。
[0114]其中，di,sinkSN为第i轮簇头与SN的平均距离，df为第i轮簇头与其上流CH的距离。 由于第i轮簇头的上流簇头在上一轮(第i-1轮）已确定，第i轮簇的边沿簇与其上流CH的最 短距离约为ri，其上流簇半径为ri-i，则莽与其上流可近似取值为雌二巧-1 +巧，同理可得 式(12):
[011引由上所述，El表达式中ri为唯一未知量，El表达式中ri为唯一未知量；为实现算法 在各轮构建的簇的能耗均衡，那么有Eo = Ei和Eo = Ei;所W，只要给定一个ro,可W计算出满 足 Eo = Ei 和 Eo = Ei 的 ri 和 ri。
[0119] 2、簇头选择
[0120] 假定在NCCCR簇算法的第i轮，在与SN距离为1和1 + 2。之间的环形区域内 α二η, + 2Si三0';，需要考察各个节点并进行簇头选择。NCCCR簇算法综合考虑节点的剩余 能量、可用信道数和与上流簇头的距离Ξ个方面来选择CH。一个好的CH应该具备：
[0121] (1)剩余能量多。由于CH相比其他SU需要消耗更多的能量，为了均衡网络中节点的 能耗，CH应该具有更多的剩余能量。
[0122] (2)可用信道数多。CH需要和簇成员进行通信，还需要与其他CH进行通信将数据传 送至SN。由于网络中没有全局的CCC，因此，为了确保网络的连通度，CH应拥有更多的可用信 道。
[0123] (3)与上流簇头距离适中，能覆盖到足够多的节点。
[0124] 基于W上原理，定义节点值NV(Node化lue)作为选择CH的度量；
[0125] 节点Si的的节点值NV(i)定义如下式（14):
[0126]
[0127] 式（14)中，f化）、g(C)和MD)分别表示能量因子、信道因子和距离因子，为节点剩 余能量、可用信道和距离的归一化函数。α、0和丫分别为f化），g(C)和KD)的权重系数，并有 α+β+ 丫 = 1 ;Eini为节点Si的初始能量，巧es为节点Si的剩余能量，I。为节点Si与其上流CH的 公共信道数，|。|为节点Si的可用信道数，|C|为信道总数，4成献为节点Si与SN的距离，1为 第i轮环形区域边界与SN的距离，有Z =。+ 2Σ?^?Γ/·.
[0128] 节点的节点值NV反映了节点的能量、可用信道数和距离情况，是进行CH选择的一 个重要标准。本发明设定α、β和丫的比值为1:1: 1。在具体的应用场景中，可设置不同的曰、0 和丫值，用于调节簇头选择过程中的节点剩余能量、可用信道和节点位置的影响作用。
[0129] 每一个节点都需要将自身信息传送至SN，包括:剩余能量、可用信道和位置；由SN 来完成簇头的选择工作，有利于降低SU的能耗。SN由内向至外（由近至远)选择CH，每一轮在 未被簇覆盖的节点中选择具有最大节点值NV的节点作为CH。
[0130] 3、簇信道选择
[0131] 一旦一个SU被选为CH，就需要选择一条簇信道，然后进行簇构建过程。由于网络中 没有全局CCC，因此簇信道对簇内W及簇间的通信都有很重要的影响。
[0132] 为了确保网络的连通度，根据簇成员数和中继节点数来选择簇信道。即，一个好的 簇信道应具备：
[0133] (1)使簇拥有更多簇成员；
[0134] (2)能够使簇与上流簇进行通信。
[01巧]基于W上原理，定义信道值CV(化annel Value，）来表示信道的价值，作为选择簇 信道的主要度量标准；
[0136] 设当前簇CH的可用信道集为Ch，上流簇CH的可用信道集为Cuph，Cc = Ch η Cup功当前 簇CH与上流簇CH的共用信道集合；
[0137] 本发明将当前簇邸的可用信道Cl的CV值定义如式(15)。
[013 引
[0139] 式（15)中，iNMi I和I順11分别表示簇信道为Cl时簇成员和中继节点的数量；中继节 点在簇头与上流簇头没有共用信道时，用W为两者中转数据，具体定义见下节路由机制部 分。k为预设常数，k越大意味着倾向于使用共用信道进行簇间通信;k为零则表明，使用共用 信道和中继节点进行簇间通信是一样的，仅考虑簇成员数量。本发明设置k为1，期望优先考 虑共用信道。
[0140] 在NCCCR簇算法中，每一轮簇的构建根据当前簇CH的可用信道的信道值CV来选择 簇信道，选择具有最大信道值CV的可用信道作为簇信道。
[0141] 4、簇结构形成
[0142] 一旦CH和簇信道选择好之后，簇结构形成阶段就开始执行；
[0143] 令Sm是簇Η的簇头，对应的簇信道和簇半径为Cm和rm;SUsi(SiES)归属于簇Η需要满 足W下约束：
[0144] (1)不属于其它簇，且每一个SU只能属于一个簇；
[0145] (2)Si的可用信道中包含簇信道Cm;
[0146] (3)Sm与Si之间的距离小于或等于簇半径rm，即屯町坤空％;
[0147] 簇结构形成时，首先由CH广播簇建立信息（Cluster Establishment Message， CEM)，CEM中包含了 CH的位置信息;然后，收到CEM并且满足W上约束的SU向CH回复簇加入信 息(Cluster化ining Message,CJM)，成为簇Η的簇成员；最后，CH把获得的簇成员信息发送 给SN，SN更新节点状态进入下一个簇的簇结构形成过程。簇结构形成过程中，簇头和其它节 点进行如下操作：
[014引（1)簇头Sm进行W下操作：
[0149] ①当收到SN的当选簇头通知，并获得簇信道和簇半径(Cm和rm)后，触发簇结构形成 过程，在各可用信道上广播CEM;
[0150] ②当收到簇加入信息CJM，比对目的节点标识，如果属于自己的CJM，则从中获得消 息源节点信息，并把它加入簇成员表CMT(Cluster Member Table)。
[0151] ③CMT表在Τ时间内没有更新，则簇结构形成结束，把CMT表发送给SN，SN据此更新 节点状态;T的设定:设簇头发出CEM广播信息的时刻为ti，簇头最后一次收到CJM信息的时 刻为 t2,则 T = 2X(t2-ti)。
[0152] (2)其它节点操作
[0153] ①当收到CEM后，如果之前已收到该CEM，则丢弃该CEM而不做处理；否则，根据CEM 中提供的信息，检查上述3个约束;如果3个约束均满足，则执行②;否则执行③。
[0154] ②W簇头节点作为目的节点，并把自己的节点标识、位置和簇半径rm封装在CJM消 息中，在各可用信道广播CJM;
[0K5]③如果当前节点与簇头节点的距离屯< rm，则在各可用信道转发CEM;否则，丢 弃该CEM而不做处理；
[0156] ④当收到CJM，如果当前节点与CJM源节点的距离超过rm，则丢弃该CJM而不做处 理;否则，在各可用信道转发该CJM消息。
[0157] 簇结构形成过程只影响半径为rm区域内及附近节点，网络开销可控。
[015引基于簇的路由机制
[0159]路由机制的本质是为发送者找到下一跳节点，直至到达SN。本发明所设计的NCCCR 路由机制描述如下：
[0160] (1)与SN的距离小于等于ro的节点的下一跳:为了降低能耗，如果节点到SN的距离 小于或等于ro,那么节点直接将数据发送给SN。
[0161] (2)簇成员的下一跳：如果节点到CH的距离小于通信半径，则将数据直接发送至 CH;否则，将数据发送给离CH最近的簇内邻居节点；由于簇内至少存在一条公共信道（即簇 信道），可通过簇内多跳传输将数据传送至SN;
[0162] (3)CH的下一跳：由于网络中没有全局的CCC，因此CH的下一跳的选择成为路由算 法的关键。CH的下一跳选择设计如下:如果CH与上流CH有公共信道，那么CH直接将数据发送 至其上流CH(如附录图3中的化thl)。否则，C聞尋数据发送至中继节点，通过中继节点的转发 到达上流CH;记CH所在簇为当前簇，上流CH所在簇为上流簇，则在上流簇中，与当前簇相邻， 且当前簇的簇信道为其可用信道的节点称为CH的中继节点；由于地理位置紧密相邻的节点 可W感知到相同的信道，因此中继节点存在于当前簇与上流簇覆盖范围的交接处或者相邻 处，中继节点可实现当前簇头与上流簇头之间的数据中继(如附录图3中的Path2)。
[0163] (4)中继节点的下一跳
[0164] 由于中继节点属于簇成员，因此中继节点下一跳的选择与簇成员节点一样。
[01化]有益效果：
[0166] 1)在多跳网络中，节点能耗不均衡是制约网络寿命的重要因素，本发明在簇半径 计算过程中，分析Ξ种情况的能量消耗情况:与SN近距离的节点能量消耗情况、最靠近SN的 簇的簇头能量消耗情况、其它离SN较远的簇的簇头能量消耗情况，通过构建非均匀簇来均 衡网络中节点的能耗。
[0167] 2)本发明的簇构建算法综合考虑节点的剩余能量、可用信道数和与上流簇头的距 离Ξ个方面来选择簇头。有利于均衡网络中节点的能耗，延长网络寿命。
[0168] 3)根据簇成员数和中继节点数来选择簇信道，确保了网络的连通度。簇结构形成 过程只影响半径为rm区域内及附近节点，网络开销可控。
[0169] 4)由于网络中没有全局CCC，因此已有的路由算法不能有效地运行。本发明在簇构 建算法的基础上设计可W适用于网络中没有全局CCC的情景的路由机制。设计的路由机制 与已有算法不同的是，在进行下一跳选择的时候，不仅考虑发送者和接收者之间的距离W 及接收者的剩余能量，还考虑了两者的公共信道。
【附图说明】
[0170] 图1为簇算法流程；
[0171 ]图2为簇构建算法第i轮示意图；
[0172] 图3为路由路径；
[0173] 图4为本发明（NCCCR)与LEAUCH网络寿命对比；
[0174] 图5为节点剩余能量；图5(a)为NCCCR中节点剩余能量，图5(b)为LEAUCH中节点剩 余能量；
[0175] 图6为NCCCR连通度。
【具体实施方式】
[0176] 本发明利用0MNet++对NCCCR进行了模拟仿真，并在仿真的基础上对算法的有效性 和性能进行了分析。网络为一个半径为200m的圆形区域，汇聚节点（Sink Node,SN)位于网 络区域的正中屯、（〇,〇)，网络中有5个初级用户（Prima巧Users，PUs)和500个二级用户 (Seconda巧Users，SUs)，信道数为8。每一个节点都周期性地感知环境并生成数据，其数据 生成率为0.2。其他主要实验参数设置如表1所示。
[0177] 表1实验参数设置
[017 引
[0179] W下从网络寿命、能量均衡、网络连通度等方面对NCCCR进行性能评估。
[0180] 1、网络寿命
[0181] WSN是能量受限的，节点一旦消耗完能量就会死亡。本发明中，用活着的节点数来 反映网络的寿命。如图4所示为活着的节点数与数据传输轮数的关系。从图中可W看出，随 着数据传输轮数的增加，采用NCCCR与LEAUCHW时，网络中活着的节点数大致一致。在 LEAUCH中，节点成为簇头的概率取决于节点的可用信道数，在候选簇头中，剩余能量最大的 节点成为真正的簇头。簇半径只与簇头到SN的距离有关。然而在NCCCR中，定义节点价值 (Node Value,NV)用于选择簇头，NV同时考虑了节点的剩余能量、信道情况(可用信道数W 及与上流簇头的公共信道数及距离情况(与汇聚节点的距离W及与上流簇头的距离）。 簇半径也是根据簇头的实时能量情况和到下一跳的距离来决定，从而延长网络的寿命。
[0182] 2、能量均衡
[0183] 在WSN中，能量均衡对于延长整个网络的寿命具有很重要的影响。为了延长网络的 寿命，网络中节点的能耗均衡是必须的。图5显示了网络中第一个节点死亡时，网络中所有 节点的剩余能量情况。通过图5可W看出，采用NCC邸比采用LEAUCH具有更好的能量均衡状 况。在LEAUCH中，距离汇聚节点近的节点有更高的能量消耗。在NCCCR中，所有CH的能耗相对 均衡，运是因为:根据簇头的实时能量状况来决定簇半径有利于实现能量均衡。
[0184] 3、网络连通度
[0185] 网络连通度是簇形成策略的一个很重要的衡量指标。特别是在网络中没有全局 CCC的情况下，网络连通度显得尤为重要。将网络连通度定义为每个CH的平均通信邻居节点 数，为上流CH数和中继区域内的中继节点数之和。网络连通度情况如图6所示，从图6可W看 出，NCCCR具有比较好的连通性能。运是因为，在NCCCR中，为了确保网络的连通度，在整个簇 的形成过程中，考虑了簇成员数W及中继节点数。
[0186]本发明在网络没有全局公共信道的场景下，提出了一种能量均衡的簇构建与路由 机制NCCCR。通过采用非均匀分簇来实现网络的能量均衡，簇的半径根据簇头实时能量来确 定。并且在路由形成的过程中，下一跳节点的选择也考虑了能量因素。由于网络中没有全局 CCC，为了确保网络的连通度，在成簇的过程中，不仅考虑了簇头和簇成员之间的公共信道， 而且还考虑了簇头之间的公共信道情况。实验结果表明，NCCCR能够克服网络中没有CCC的 约束，与其它算法相比有更好的性能表现。W上理论分析和实验仿真验证了本发明的有效 性和优势。
【主权项】
1. 一种认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，其特征在于： 设认知无线传感器网络中有一个汇聚节点SN(Sink Node)，M个初级用户PUs和N个二级 用户SUs;N个SUs作为采集数据的传感器节点，均匀分布在以SN为中心半径为R的圆形区域 内，节点密度为P; 给定参数ro，与汇聚节点SN近距离的传感器节点，即距离不超过ro的传感器节点SUs直 接把数据传送给SN;其它SUs通过簇结构组织起来，并通过簇路由方式把数据转送至SN; 根据距离SN由近至远的顺序，通过若干轮簇构建操作构建大小不均匀的若干簇；除了 直接与汇聚节点SN通信的传感器节点SUs，其它的SUs都被唯一的簇覆盖;每一轮簇构建操 作都依次执行簇半径计算、簇头即CH选择、簇信道选择和簇结构形成;第i轮簇构建操作中 得到的簇头称为第i轮簇头，形成的簇称为第i轮簇，i 2 1; 第i轮簇半径^根据以下方程组进行计算：其中，E〇为与SN近距离的传感器节点的单位时间最大能耗，Φ为节点数据生成率;Eelec为 单位比特数据在传输线路上的能量消耗;efs和为传感器无线信号放大器在近、远距离传 输时的能量消耗参数d为数据聚合率，E df为单位数据聚合所需要的能耗； Ei为第i轮簇头的单位时间能耗;ri为第i轮簇的簇半径，rH则为第i-Ι轮簇的簇半径； di,sink为第i轮簇头与SN的平均距离，df为第i轮簇头与其上流簇头的平均距离，当i = l时， 对应第1轮簇头，无上流簇头，则令两=4s&lfc。2. 根据权利要求1所述的认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，其特征在 于， i = 1时，di，sink = r〇+ri;i > ΙΒ?, diiSink = r〇 + 2 η + η?3. 根据权利要求2所述的认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，其特征在 于，所述簇头选择包括以下步骤： 定义节点值NV作为选择簇头CH的度量标准； 对于第i轮簇构建操作，计算与SN距离为1和1+2^之间的环形区域内各个未被簇覆盖的 节点的节点值NV，选择具有最大节点值NV的节点作为CH; 其中，节点si的节点倌NV(i)定义如下： V I L \ J -· C-心 式中，f(E)、g(C)和h(D)分别表示能量因子、信道因子和距离因子，为节点剩余能量、可 用信道和距离的归一化函数;α、β和γ分别为f(E)，g(C)和h(D)的权重系数，并有α+β+γ = 1 ;Ειηι为节点Sl的初始能量，为节点81的剩余能量，| C。|为节点81与其上流CH的公共信道 数，I Ci I为节点s i的可用信道数，I C I为信道总数，dSi,sfc为节点s i与sN的距离，1为第i轮簇 构建操作环形区域内边界与SN的距离，有!:_=η) +4. 根据权利要求3所述的认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，其特征在 于，每一个节点都将自身信息传送至SN，自身信息包括:剩余能量、可用信道和位置;SN由内 向至外，即由近至远选择CH，每一轮都选择具有最大节点值NV的节点作为CH。5. 根据权利要求4所述的认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，其特征在 于，所述簇信道选择包括以下步骤： 定义信道值CV来表示信道的价值，作为选择簇信道的度量标准； 对当前簇CH的每一条可用信道，计算其信道值CV;选择具有最大信道值CV的可用信道 作为簇信道； 设当前簇CH的可用信道集为Ch，上流簇CH的可用信道集为Cuph，Cc = Ch Π Cuph为当前簇CH 与上流簇CH的共用信道集合;则当前簇CH的可用信道(^的信道值0^定义如下：式中，| |和| NK |分别表示簇信道为(^时簇成员和中继节点的数量;k为预设常数。6. 根据权利要求4所述的认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，其特征在 于，k为1。7. 根据权利要求6所述的认知无线传感器网络中无公用信道的簇构建方法，其特征在 于，所述簇结构形成过程为：令sm是簇Η的簇头，簇结构形成时，首先由播簇建立信息 CEM，CEM中包含了 sm的位置信息;然后，收到CEM并且满足约束条件的SU向sm回复簇加入信息 CJM，成为簇Η的簇成员；最后，s m把获得的簇成员信息发送给SN，SN更新节点状态进入下一 个簇的簇结构形成过程； 其中，约束条件是指： $sm对应的簇信道和簇半径为cjPrm; SU Si(SieS)归属于簇Η需要满足以下约束： (1) 不属于其它簇，且每一个SU只能属于一个簇； (2) Si的可用信道中包含簇信道Cm; (3) ~与犯之间的距离小于或等于簇半径rm，gp8. -种认知无线传感器网络中无公用信道的路由方法，其特征在于，与SN近距离，即距 离不超过r〇的SUs直接把数据传送给SN;其它SUs通过权利要求1~7所述的簇构建方法形成 簇结构，并通过以下簇路由方式把数据转送至SN: (1) 簇成员的下一跳：如果节点到CH的距离小于通信半径，则将数据直接发送至CH;否 贝1J，将数据发送给离CH最近的簇内邻居节点;通过簇内多跳传输将数据传送至SN; (2) CH的下一跳： 对于没有上流CH的CH，CH直接将数据发送给SN; 对于有上流CH的CH，如果CH与上流CH有公共信道，那么CH直接将数据发送至其上流CH; 否则，CH将数据发送至中继节点，通过中继节点的转发到达上流CH;记CH所在簇为当前簇， 上流CH所在簇为上流簇，则在上流簇中，与当前簇相邻，且当前簇的簇信道为其可用信道的 节点称为CH的中继节点。
【文档编号】H04W52/02GK105873160SQ201610380132
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】曾锋, 陈雪寒, 陈志刚
【申请人】中南大学