具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合附图，本发明的步骤如下：

步骤一，建立无线传感器网络系统模型。

本发明所研究的无线传感器网络是随机部署的高密度静态传感器网络，并对其作出如下假设：传感器节点均为静态节点，节点随机部署后不随时间移动，高度冗余，自组成网，但由于节点能量耗尽或节点故障等其他原因，其拓扑结构可能会发生改变；所有节点都是同质节点，即各种规格参数都相同，尤其是初始能量、感知半径、计算能力和通信能力相同，但不局限于特定的某种传感器节点；节点通信功率可调，可以根据距离自动调整发射功率；基站位置已知，能量和计算能力无限，所有节点均可与基站直接通信；节点可以根据信号的到达角度和信号强度计算出自身的相对位置；每个节点均有工作和休眠两种工作模式，且处于休眠模式下的节点能耗可忽略不计；节点可以感知到所有位于其感知半径内处于工作模式的节点；每个节点都有唯一的标识ID，彼此相互感知的节点可以获得对方的标识ID；网络通信信道为对称信道；节点间在数据传输过程中不考虑冲突问题。

无线传感器网络节点的能耗主要产生于数据分组的收发，采用一阶无线电模型来模拟节点之间的通信，具体为：E_RX(l)＝lE_elec，E_DA(l)＝γlE_da。其中，E_TX(l,d)、E_RX(l)、E_DA(l)分别为节点发射、接收和融合数据能耗模型，节点发送的数据量为lbit，节点通信距离为dm，E_elec为节点每发送或接收单位比特数据所消耗的能量，E_da为节点每融合单位比特数据所消耗的能量，γ为数据融合压缩率。节点选择何种发射模型进行通信由阈值决定，ε_fs和ε_mp为自由空间信道模型和多径衰落模型功率放大所需的能量，当节点通信距离小于阈值时，选择自由空间信道模型，否则选择多径衰落模型。

步骤二：设定网络参数并初始化网络状态，网络开始运行。

设定网络中有N个传感器节点随机静态高密度部署在M×M的监测区域内，网络最大运行轮数为K，运行轮数标号为k，k∈[1,K]，网络系数为l_net，节点感知半径为r_net，节点初始能量为p_netJ，通信数据包为l_databit，控制数据包为l_conbit，基站位置矢量为网络运行第k轮时第n个传感器节点的状态用表示，其中，为第n个节点位置矢量，为第n个节点第k轮运行时的剩余能量，χ_n为第n个节点通信模式标识，为第n个节点第k轮运行时的工作模式标识，n＝1,2,...,N，k＝1,2,...,K。当χ_n＝1时，节点作为簇内节点或簇首与基站单跳通信；当χ_n＝0时，节点作为簇内节点与簇首单跳通信或作为簇首与基站单跳通信。当时，节点处于工作模式；当时，节点处于休眠模式；当时，节点死亡，此时初始化网络当前运行轮数k＝1，节点剩余能量 基站为网络中的每个节点分配唯一通信标识ID，网络开始运行。

步骤三：确定网络最优分簇数，并判断是否需要动态成簇。

合理的分簇数有利于形成更加均匀的簇，同时降低网络的整体能量消耗成本。网络运行到第k轮时的最优分簇数其中，为第k轮存活节点数，round(·)为取整函数。随着网络的运行，存活节点数目会逐渐减少，因此成簇是一个动态的过程，当网络首轮运行或最优分簇数发生变化时，就需要重新成簇。当网络首轮运行时，基站向网络泛洪一个上行信标，网络中各存活节点接收到此上行信标后将自身位置、剩余能量、通信标识ID、工作模式标识打包发送给基站，基站凭此确定第k轮网络运行存活节点数而当网络其它轮运行时，基站按照某种特定协议读取网络上传数据中的控制包，确定网络节点状态，进而确定第k轮网络运行存活节点数当满足k≠1和c^k＝c^k-1时，网络不需要动态分簇，基站将一个唤醒信标泛洪发送至网络，转到步骤五继续执行。

步骤四：基站采用FCM算法实现网络动态分簇，具体步骤为：

(1)初始化FCM参数并建立其目标函数。设定FCM算法最大迭代次数为G，迭代次数标号为g，g∈[1,G]，FCM迭代终止因子为ε。设定网络第k轮运行FCM第g次迭代时的聚类中心位置矢量集合为为FCM第g次迭代时第j′个聚类中心的位置矢量，j′＝1,2,...,c^k，g＝1,2,...,G。此时，FCM目标函数其中，m∈[1,∞)为模糊因子，分别为FCM第g次迭代时存活节点i′相对于聚类中心j′的欧式距离和隶属度，s′_i′为存活节点i′的位置矢量。当g＝1时，随机初始化聚类中心位置集合隶属度需要注意的是：存活节点i′对所有聚类中心的隶属度总和为1，即

(2)更新隶属度。隶属度按照如下公式进行更新： 为待求和变量标号。

(3)更新聚类中心。聚类中心按照如下公式进行更新：

(4)更新相对欧式距离。存活节点与聚类中心的欧式距离按照如下公式进行更新：

(5)演进终止判断，完成网络动态分簇。判断FCM算法是否达到演进终止条件，即达到最大迭代次数G或满足若满足，则输出聚类中心并根据隶属度最大原则实现网络动态分簇；若不满足，则令g＝g+1，返回步骤四(2)继续执行。

(6)基站将网络动态分簇消息打包与唤醒信标一同泛洪发送至网络，消息包括节点通信标识ID、节点剩余能量、节点位置、节点工作模式标识、节点归属簇ID、归属簇内其它节点通信标识ID、归属簇内其它节点位置、归属簇内其它节点剩余能量，而网络中各存活节点则根据通信标识ID获取属于自己的分簇消息。

步骤五：将网络中休眠节点唤醒，进行冗余节点判断。

网络中各存活节点均可收到唤醒信标，原本处于工作模式的节点接收信标后不作处理，原本处于休眠模式的节点接收信标后则进入短暂工作模式。网络中所有存活节点按照通信标识ID由小到大的顺序依次检测自己覆盖区域内的邻居节点。网络第k轮运行时，若节点i″、j″存活且处于工作模式，即满足若满足||s_i″-s_j″||≤r_net，则节点i″、j″互为邻居节点。节点i″检测自己所有邻居节点，若同时满足以下五个条件，则认为该节点为冗余节点，冗余节点不作为其它待检测节点的邻居节点参与检测过程，这样有效避免了相邻节点同时休眠而出现的监测盲区情况，条件如下：节点i″的邻居节点数大于等于4；存在横坐标小于x_i″且纵坐标小于y_i″的邻居节点；存在横坐标小于x_i″而纵坐标大于y_i″的邻居节点；存在横坐标大于x_i″而纵坐标小于y_i″的邻居节点；存在横坐标大于x_i″且纵坐标大于y_i″的邻居节点。

步骤六：无线传感器网络动态簇首竞争选举。

为了减少簇首的能耗，避免节点过早死亡从而导致网络失效，综合考虑节点剩余能量、节点与基站距离、节点与簇内其他存活节点距离三个因素并结合当前轮的网络特征来竞选最优簇首。在此说明，存活节点指的是剩余能量大于零的节点，既包括工作节点、冗余节点，又包括休眠节点。能量是节点面临的最重要的挑战，选择能量高的簇内节点担任簇首有助于簇内负载均衡，因此考虑簇内节点w的剩余能量与簇内所有存活节点平均剩余能量的比值作为参考，可以表示为其中，W为节点w所属簇内存活节点数目，E_res(w)为节点w的剩余能量，节点w的剩余能量越大，f₁′(w)就越大，当选簇首的概率就越高。候选节点与基站的距离同样影响着簇首选举，选择距离基站较近的节点担任簇首有助于减少簇首能量损耗，候选节点与基站的距离因素可以表示为其中，d_toBS(w)为节点w到基站的距离，节点w到基站距离越近，f′₂(w)就越大，当选簇首的概率就越高。节点的相对距离可以表示为其中，d_a(w,w′)为节点w与簇内其他节点w′之间的距离，f′₃(w)越大，节点之间相对距离越小，节点之间的通信代价就越小。簇内节点根据式最大来分布式竞选簇首。

步骤七：无线传感器网络冗余节点休眠调度。

若某冗余节点在动态簇首竞争阶段成功竞选簇首，则调度此冗余节点为工作模式；若某冗余节点在动态簇首竞争阶段落败，则调度此冗余节点为休眠模式，该节点仅监听网络中的唤醒信标，并向其归属簇的簇首发送一条消息来告知自身进入休眠状态，该消息包括：节点自身通信标识ID、节点归属簇ID、节点自身剩余能量、节点工作模式标识。

步骤八：无线传感器网络稳定数据传输，并更新网络状态。

为方便模拟数据在网络中的转发传递与能量消耗，设定簇内节点与基站或簇首单跳通信，簇首与基站单跳通信。簇内满足通信模式标识为0的工作节点向簇首发送加入请求，请求中包含自身剩余能量、自身通信标识ID、归属簇ID、自身工作模式标识，簇首节点根据接收到的加入请求数量来划分时隙，即采用TDMA机制给每个请求成员分配对应时隙，各个请求成员在自己的时隙采集数据并打成通信数据包，与包含自身通信标识ID、自身剩余能量和自身工作模式标识的控制数据包一同发送给簇首；簇内满足通信模式标识为1的工作节点直接向基站发送数据；簇首节点接收请求成员所发送的数据并进行融合压缩处理，在最后一帧加入簇内所有存活成员的通信标识ID、节点剩余能量、节点工作模式标识后将所有数据打包发送至基站。数据路由能量损耗具体为，若某节点n为簇首，则其稳定数据传输能量损耗，其中，为簇首所属簇内处于工作模式且其通信模式标识为0的节点数；若某节点n为簇内工作节点，且满足χ_n＝0，则其稳定数据传输能量损耗其中，为该节点归属簇的簇首；若某节点n为簇内工作节点，且满足χ_n＝1，则其稳定数据传输能量损耗个存活节点进行稳定数据传输后，有些节点可能会消亡，若满足则更新节点工作模式标识标识该节点死亡，进而更新网络状态。

步骤九：无线传感器网络运行终止判断。

判断网络是否运行到最大运行轮数K或所有节点消亡，即判断k+1是否等于K或是否等于零，若满足，则终止无线传感器网络的运行；若不满足，则令k＝k+1，返回步骤三，无线传感器网络进行下一轮的运行。

设定网络中有N＝200个传感器节点随机静态高密度部署在200m×200m的监测区域内，网络最大运行轮数K＝200、节点感知半径r_net＝10m、节点初始能量p_net＝0.04J、通信数据包l_data＝4000bit、控制数据包l_con＝100bit、基站位置向量数据融合压缩率γ＝0.4、E_elec＝50nJ/bit、E_da＝5nJ/bit、ε_fs＝10pJ/(bit·m²)、ε_mp＝0.0013pJ/(bit·m⁴)，仿真实验次数为50，实验结果作统计平均。

在图2(a)-图5中，本发明所设计的基于FCM分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法记作FCNS；孙超等在《传感技术学报》上发表的“无线传感器网络分簇拓扑的覆盖区域节点调度优化算法研究”中所提出的节点休眠调度方法记作NSACT；衣晓等在《计算机应用研究》上发表的“无线传感器网络节点调度优化分簇算法研究”中所提出的节点休眠调度方法记作CANS。在所设计的FCNS中，设定FCM算法最大迭代次数G＝1000、迭代终止因子ε＝10^-6、模糊因子m＝2、网络系数l_net＝0.2；在NSACT、CANS中，设定簇首概率为0.08。图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为NSACT、CANS和FCNS方法在网络首轮运行时网络分簇与节点休眠调度的结果显示；图2(d)、图2(e)和图2(f)分别为NSACT、CANS和FCNS方法在网络k＝80轮运行时网络分簇与节点休眠调度的结果显示。在图2(a)-(f)中，基站、簇首、簇内工作节点和簇内休眠节点分别用“绿色+”、“红色*”、“黑色°”和“黑色◇”表示，簇首与簇内工作节点用实线链接、与簇内休眠节点用虚线链接，以示区分。将网络生命周期定义为网络开始运行到出现第一个死亡节点期间的运行轮数。从图2(a)-图5中可以看出来，本发明所设计的基于FCM分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法，在满足一定覆盖质量的条件下，可以综合减少WSN网络级与节点级能耗，延长网络生命周期和网络运行总时间，可作为高密度静态传感器网络的节点休眠调度协议。