一種低開銷收斂快的無線傳感網分布式平均方法
【專利摘要】本發明涉及一種低開銷收斂快的無線傳感網分布式平均方法，其特征在于通過分簇技術，通過簇頭節點執行分布式平均，減少迭代過程中通信開銷，并有效提升收斂速度，具體包括以下步驟：(1)無線傳感器網絡通過分簇算法進行分簇，節點分為普通節點和簇頭節點兩類，普通節點確定自己所屬的簇和簇頭；網內每一個節點對觀測對象進行測量，獲取測量值并將其當做初步估計值；簇頭節點進行簇內數據統計，并計算出簇內初步估計值的總和；(4)簇頭節點與周圍相鄰的簇頭節點執行分布式平均算法；(5)簇頭節點進行簇內估計值更新操作，完成全網絡數據平均值的計算。提供的方法結合傳感網的技術特點是通信開銷少，收斂速度快并可保證收斂性能，適用于無線傳感器網路數據融合和時間同步。
【專利說明】一種低開銷收斂快的無線傳感網分布式平均方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無線傳感網的分布式平均方法，更確切地說本發明涉及一種低開銷收斂快的無線傳感網分布式平均方法，以計算網絡數據平均值為目標，可為傳感網數據融合和時間同步技術提供支持。屬于無線傳感網領域。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡是由分布在一定區域內的大量隨機布設的節點組成，節點之間通過無線鏈路相互通信，形成一種完全分布式的自組織網絡。此類節點通常攜帶不同類型的傳感器，可有效檢測大范圍內的環境數據，為國防安全、國民生產和社會生活提供服務。
[0003]無線傳感器網絡的基礎支撐技術之一是時間同步技術。此技術可為多項傳感網應用提供服務，主要包括:調度算法，睡眠機制，數據融合，定位技術等。研究精度高，魯棒性良好的同步算法是傳感網的一個非常重要的課題。無線傳感網的一項技術特點在于其數據融合方案。數據融合技術負責匯聚網絡中所有節點監測的數據信息，并將其反饋給監測中心或者全網絡。
[0004]分布式平均能夠為傳感網時間同步和數據融合提供算法模型。它適用于分布式時間同步算法，可提供一種魯棒性高，抗毀性強的時間同步協議。它也可以應用于數據融合的設計，能夠通過完全分布式的方案為節點提供全網絡測控數據的平均值。當前的研究多基于如何將分布式平均應用于以上兩種服務，卻鮮有實例能夠結合傳感網當前的技術特點，對分布式平均進行改進。當前的分布式平均方法普遍存在通信開銷大和收斂速度慢的缺點。分布式平均要求節點與鄰居進行局部信息交互，并進行多次迭代更新[Olfat1-SaberR, Fax J A, Murray R M.Consensus and cooperation in networked mult1-agentsystems [J], Proceedings of the IEEE, 2007,95 (I):215-233.]。其收斂速度與與網絡規模有關，網絡規模越大則收斂速度越慢[LiQ, Rus D.Global clock synchronization insensor networks [J].Computers, IEEE Transactions on, 2006, 55 (2):214-226.]。分布式平均每次迭代過程都引入通信開銷，并且算法迭代次數越多其通信開銷越大。針對以上問題，本發明擬提出基于分簇架構的分布式平均方法，以降低數據通信量和提升算法收斂速度為主要目標的發明構思。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種低開銷收斂快的無線傳感網分布式平均方法，以適用于無線傳感器網絡，可應用于傳感網數據融合和時間同步協議。本發明是基于分簇技術，通過簇頭節點執行分布式平均，可減少迭代過程中通信開銷，有效提升收斂速度。主要包括以下步驟:
[0006](I)無線傳感器網絡通過分簇算法進行分簇，節點分為普通節點和簇頭節點兩類，普通節點確定自己所屬的簇和簇頭；
[0007](2)網內每個節點對觀測對象進行測量，獲取測量值并將其當做初步估計值；[0008](3)簇頭節點進行簇內數據統計，并計算出簇內初步估計值的總和；
[0009](4)簇頭節點與周圍相鄰的簇頭節點執行分布式平均；
[0010](5)簇頭節點進行簇內估計值更新操作，完成全網絡數據平均值的計算。
[0011]步驟(I)要求簇頭節點獲取簇內節點個數信息。
[0012]步驟(3)需要簇內普通節點上傳自己的初步估計值給簇頭節點,簇頭節點采集完簇內普通節點初步估計值后，計算平均值并在簇內廣播，簇內普通節點將該平均值作為當前估計值，簇頭節點將全簇數據之和作為自己的當前估計值。
[0013]步驟⑷包括以下子步驟:
[0014](41)簇頭節點與周圍簇頭鄰居相互交換當前估計值和簇內節點數量；
[0015](42)簇頭節點計算自己估計值與鄰居簇頭節點估計值的方差；
[0016](43)簇頭節點計算估計值的更新量，并進行估計值更新操作；簇頭節點更新自己的估計值；
[0017](44)簇頭根據步驟(42)計算出的方差判斷是否需要繼續迭代；
[0018]步驟(5)，具體包括簇頭節點處理自己的估計值，求取全簇平均后將其廣播，簇內各節點利用該平均值作為全網絡數據平均值。
[0019]步驟(43)要求簇頭節點利用自身估計值、簇內節點數量、鄰居簇頭估計值和鄰居簇內節點數量對估計值更新。
[0020]由于采用了以上技術方案，本發明與現有方法相比可降低通信開銷，提升收斂速度并保證網絡收斂到平均值。發明通過簇頭節點代替普通節點執行分布式平均計算。由文獻[Olfat1-Saber R, Fax J A, Murray R M.Consensus and cooperation innetworked mult1-agent systems[J].Proceedings of the IEEE,2007,95 (I):215-233.],[LiQ, Rus D.Global clock synchronization in sensor networks[J].Computers, IEEETransactions on, 2006, 55 (2):214-226.]可知，分布式平均的收斂速度與網絡規模成反t匕。簇頭節點形成的網絡規模遠小于普通節點形成的網絡。因此，本發明的收斂速度遠大于普通分布式平均方法。收斂速度的提升意味著迭代次數的降低，本發明通過降低迭代次數以降低通信開銷。另外，簇頭節點間進行信息交互的通信量也遠低于普通節點間進行信息交互的通信量。以上兩方面決定了本發明是一種低開銷的分布式平均方法。適用于無線傳感網絡數據融合和時間同步，能提供全網絡數據平均值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為簇頭節點迭代流程圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結合具體例子對本發明進行詳細說明，以示本發明的實質性特點和顯著的進
止/J/ O
[0023]需強調的是所列舉的實例只為更好的說明本發明，它并不限制本發明的適用范圍。此外，在了解了本發明的具體實施方法后，相關研究者可以對本發明進行修改，這些等價修改同樣落于本發明所附權利要求書限定的范圍內。
[0024]本發明的實施例子涉及一種低開銷快速分布式平均方法，包括以下步驟:[0025]步驟一，傳感器網絡按常用分簇算法進行分簇。分簇算法需保證所有簇頭的覆蓋并集為整個網絡，并保證每個節點只屬于一個簇頭。簇頭節點可獲取簇內節點的標識，并統計出簇內普通節點個數。
[0026]步驟二，網內每個節點都利用自己的傳感器對觀測對象進行測量，并獲得測量值
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[0027]步驟三，簇內普通節點將自己測量到的數值和標識組成一個數據包，將該數據包上傳給簇頭節點。簇頭節點i計算出簇內測量值之和
【權利要求】
1.一種低開銷收斂快的無線傳感網分布式平均方法，其特征在于通過分簇技術，通過簇頭節點執行分布式平均，減少迭代過程中通信開銷，并有效提升收斂速度，具體包括以下步驟: (1)無線傳感器網絡通過分簇算法進行分簇，節點分為普通節點和簇頭節點兩類，普通節點確定自己所屬的簇和簇頭； (2)網內每一個節點對觀測對象進行測量，獲取測量值并將其當做初步估計值； (3)簇頭節點進行簇內數據統計，并計算出簇內初步估計值的總和； (4)簇頭節點與周圍相鄰的簇頭節點執行分布式平均算法； (5)簇頭節點進行簇內估計值更新操作，完成全網絡數據平均值的計算。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)所述的簇頭節點獲取簇內節點個數信息。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)所述的簇內普通節點上傳自己的初步估計值給簇頭節點，簇頭節點采集完簇內普通節點初步估計值后，計算平均值并在簇內廣播，簇內普通節點將該平均值作為當前估計值，簇頭節點將全簇數據之和作為自己的當前估計值。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)包括以下子步驟: (41)簇頭節點與周圍簇頭鄰居相互交換當前估計值和簇內節點數量； (42)簇頭節點計算自己估計值與鄰居簇頭節點估計值的方差； (43)簇頭節點計算估計值的更新量，并進行估計值更新操作；簇頭節點更新自己的估計值； (44)簇頭根據子步驟(42)計算出的方差判斷是否需要繼續迭代。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(5)包括簇頭節點處理自己的估計值，求取全簇平均后將其廣播，簇內節點利用該平均值作為全網絡數據平均值。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于步驟(4)的子步驟(43)所述的簇頭節點利用自身估計值、簇內節點數量、鄰居簇頭估計值和鄰居簇內節點數量對估計值更新。
7.根據權利要求1、3或4所述的方法，其特征在于: ①步驟(1)所述的分簇算法需保證所有簇頭的覆蓋并集為整個網絡，并保證每個節點只屬于一個簇頭；簇頭節點可獲取簇內節點的標識，并統計出簇內普通節點個數； ②步驟(2)中所述的網內每個節點都利用自己的傳感器對觀測對象進行測量，并獲得測量值u ； ③步驟(3)中所述的簇內數據統計是簇內普通節點將自己測量到的數值和標識組成一個數據包，然后將該數據包上傳給簇頭節點；簇頭節點i計算出簇內測量值之和 ^/(1) = ^
keCi 式(；中代表簇頭節點所覆蓋的簇內節點；簇頭將該數值以廣播方式反饋給簇內各節點，普通節點將該數值作為初步網絡估計值； ④子步驟(42)中所述的簇頭節點計算自己估計值與鄰居簇頭的方差是
【文檔編號】H04W40/02GK103945485SQ201410180555
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】王晶, 張帥, 高丹, 華昕佳, 劉燁, 于峰 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所