基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法与流程

本发明涉及分簇路由，是一种基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法。

背景技术：

1、近年来航空航天技术的发展使得人们对信息的感知和获取从地面向海洋、空、天、深空拓展，由此交织成一个天空地海一体化的网络，即推动国民经济的快速发展，也是国防和国家安全的重要保证。

2、空间信息网络以空间平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息，为各种空间任务提供通信服务，所以，空间信息网中数据信息获取传输技术有着广泛的应用领域以及良好的发展前景。

3、空间信息网由于时空跨度大、接入节点激增、较高的信息维度等原因使其面临海量的数据传输、信息实时处理等难题，特别是在资源受限时，如何实现空间信息网中有效低能耗的数据收集是目前急需解决的问题。

4、数据收集过程中往伴随相应的数据处理过程，目前基于压缩感知的数据收集研究主要应用于无线传感器网络，而且大部分的基于压缩感知数据收集技术没有同时考虑发挥路由和压缩感知优势。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决空间信息网中数据收集存在的数据量大以及资源受限的问题。

2、本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，包括以下步骤：

3、建立分簇路由数据收集模型；

4、使用数学理论推导计算出最优解，其中，最优解包括能耗最优簇头数目与能耗最低条件；

5、基于能耗最优簇头数目进行分簇，包括首轮分簇和簇头轮换机制。

6、下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

7、在建立上述分簇路由数据收集模型时，具体可包括以下步骤：利用分簇路由算法将整个网络划分成多个簇；利用分簇路由策略对网络中的数据进行收集过程中，簇内各节点在自身的时隙内将感知数据权值发送给自己的簇头，簇头与簇头之间通过多跳形式发送数据至汇聚节点。

8、获得最优能量消耗所需满足的最优簇头数目可为：

9、

10、式中hopt表示基于压缩感知数据收集的最优簇头数目，s表示投影矩阵的稀疏率，a表示监控区域的边长，n表示网络中包含的节点数目，εamp表示传输放大功率，eelec表示接收或者发送1比特数据所需消耗的能量。

11、上述能耗最低条件即在压缩感知分簇路由的数据收集过程中能量消耗最优需要满足的条件，具体可包括：网络中的每个簇头位于簇的中心位置；各个簇的簇头按照最短距离生成树的路由策略进行数据包的转发；网络所分的簇的大小相等。

12、上述首轮分簇具体可包括以下步骤：

13、汇聚终端参考以往的数据以及网络中的各项情况计算hopt；

14、按照尽可能将网络全覆盖的思想将网络分成大小近似相同的hopt个簇，将距离簇中心最近的节点选为簇头；

15、汇聚端以广播的形式将簇头的消息通知给被选为簇头的节点；

16、簇头节点以广播的方式通知其它节点自己是簇头的信息，非簇头节点根据收到来自不同距离簇头节点的消息的强度判断加入到距离自己最近的那个簇，并向簇头发送确认消息；

17、簇头确认完所有簇内成员后，为簇内节点建立一个时间安排表，簇内节点根据时间安排表，向簇头节点发送感知到的数据并更新自己的能量，簇头节点接收完簇内的节点所发送的数据后也更新自己本身的能量值。

18、上述簇头轮换机制具体可包括以下步骤：在每轮数据收集中网络中的节点发送数据和自己的能量剩余情况给簇头；簇头选择簇内剩余能量最多的簇内节点为下一轮的簇头节点；网络中的每个簇头通知新的簇头节点成为簇头的信息；新一轮的簇头向网络广播自身的信息，网络中的其他节点就近选择自己的簇头实现簇头的轮换。

19、本发明通过建立数据传输能耗模型推导出满足能耗最优条件下的能耗最优簇头数目，然后能耗最优簇头数目分阶段分簇，通过首轮分簇获取良好的分布情况，再根据节点的剩余能量进行簇头的轮换，使数据收集方案以较低的能耗实现良好的原始数据重构效果。本发明创新设计分簇路由算法实现低能耗的数据收集，结合分簇路由数据收集的特点提出使用基于最优簇头数目的分阶段分簇方案，最后使用的数据收集路由策略，不仅可以减少网络中的能量消耗，而且使得整个网络中的能量消耗非常均匀。本发明将压缩感知与路由策略相结合，解决了空间信息网数据收集中数据量大和资源受限的问题，提高了网络的整体性能。

技术特征：

1.一种基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于在建立分簇路由数据收集模型时，具体包括以下步骤：利用分簇路由算法将整个网络划分成多个簇；利用分簇路由策略对网络中的数据进行收集过程中，簇内各节点在自身的时隙内将感知数据权值发送给自己的簇头，簇头与簇头之间通过多跳形式发送数据至汇聚节点。

3.根据权利要求1或2所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于获得最优能量消耗所需满足的最优簇头数目为：

4.根据权利要求1或2所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于能耗最低条件即在压缩感知分簇路由的数据收集过程中能量消耗最优需要满足的条件，具体包括：网络中的每个簇头位于簇的中心位置；各个簇的簇头按照最短距离生成树的路由策略进行数据包的转发；网络所分的簇的大小相等。

5.根据权利要求3所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于能耗最低条件即在压缩感知分簇路由的数据收集过程中能量消耗最优需要满足的条件，具体包括：网络中的每个簇头位于簇的中心位置；各个簇的簇头按照最短距离生成树的路由策略进行数据包的转发；网络所分的簇的大小相等。

6.根据权利要求1或2或5所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于首轮分簇具体包括以下步骤：

7.根据权利要求4所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于首轮分簇具体包括以下步骤：

8.根据权利要求1或2或5或7所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于簇头轮换机制具体包括以下步骤：在每轮数据收集中网络中的节点发送数据和自己的能量剩余情况给簇头；簇头选择簇内剩余能量最多的簇内节点为下一轮的簇头节点；网络中的每个簇头通知新的簇头节点成为簇头的信息；新一轮的簇头向网络广播自身的信息，网络中的其他节点就近选择自己的簇头实现簇头的轮换。

9.根据权利要求3所述的基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其特征在于簇头轮换机制具体包括以下步骤：在每轮数据收集中网络中的节点发送数据和自己的能量剩余情况给簇头；簇头选择簇内剩余能量最多的簇内节点为下一轮的簇头节点；网络中的每个簇头通知新的簇头节点成为簇头的信息；新一轮的簇头向网络广播自身的信息，网络中的其他节点就近选择自己的簇头实现簇头的轮换。

技术总结
本发明涉及分簇路由技术领域，是一种基于分簇路由低能耗的高效数据收集方法，其包括以下步骤：建立分簇路由数据收集模型；使用数学理论推导计算出最优解，其中，最优解包括能耗最优簇头数目与能耗最低条件；基于能耗最优簇头数目进行分簇，包括首轮分簇和簇头轮换机制。本发明不仅可以减少网络中的能量消耗，而且使得整个网络中的能量消耗非常均匀；将压缩感知与路由策略相结合，解决了空间信息网数据收集中数据量大和资源受限的问题，提高了网络的整体性能。

技术研发人员：万姣,李凯,胡美慧,曹进平,王巧莉,聂旭贝,马军,张建业,何碧舟,李德高,曹源,马斌,摆小军,古丽孜热·艾尔肯,胡新苗
受保护的技术使用者：国网新疆电力有限公司信息通信公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13