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专利号: 2024101453619
申请人: 山东省计算中心(国家超级计算济南中心)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述方法包括:S1、给定节点数据集和预设参数,其中,所述节点数据集中包含监测区域内所有传感器节点,所述预设参数包括节点覆盖半径R、节点覆盖率C以及初始簇头个数K;

S2、基于给定的所述节点数据集和预设参数,使用K‑medoids聚类算法将所述节点数据集中的所有传感器节点划分为K个簇,其中,所得到的每个簇中均包含一个目标簇头节点和若干成员节点;

S3、基于所述K个簇中所覆盖的所有传感器节点的数量,计算所述K个簇的总节点覆盖率C′,并比较所述K个簇的总节点覆盖率C′与给定的节点覆盖率C:若所述K个簇的总节点覆盖率C′大于给定的节点覆盖率C,则执行步骤S4,若所述K个簇的总节点覆盖率C′小于或等于给定的节点覆盖率C,则将给定的初始簇头个数K加一,并重复执行步骤S2;

S4、判断待发送数据的成员节点与其对应的目标簇头节点之间是否存在中间成员节点,若存在:计算所述待发送数据的成员节点到达其对应目标簇头节点的路径上的所有相邻传感器节点之间的信噪比,以筛选所述待发送数据的成员节点与其对应的目标簇头节点之间的最优通信链路,并控制所述待发送数据的成员节点通过所述最优通信链路将其数据传输至对应的目标簇头节点;

若不存在:控制所述待发送数据的成员节点直接将其数据传输至对应的目标簇头节点。

2.根据权利要求1所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:S21、输入数据:将给定的初始簇头个数K以及所述节点数据集输入至K‑medoids聚类算法;

S22、分配节点:对于每个传感器节点,利用欧几里得距离算法将其分配到距离最近的初始簇头节点所在的簇,得到K个初始的簇,其中,所述初始簇头节点通过随机选择得到;

S23、更新簇头:对于每个簇,计算簇内每个传感器节点的平均相异度,并选择平均相异度最小的传感器节点作为新的簇头节点;

S24、迭代簇的分配:重复所述步骤S22~S23,直至更新后的簇头节点无变化或达到预定的迭代次数为止;

S25、输出结果:输出划分好的K个簇以及对应的K个目标簇头节点。

3.根据权利要求2所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S2具体还包括:S26、确定节点类别:基于所述节点覆盖半径R确定每个目标簇头节点的覆盖范围,若:相邻目标簇头节点的覆盖范围无交叉,则将相应的簇中的所有成员节点确定为单覆盖成员节点;若:相邻目标簇头节点的覆盖范围有交叉,则将相应的簇中位于交叉范围之外的所有成员节点确定为单覆盖成员节点,将相应的簇中位于交叉范围之内的所有成员节点确定为多覆盖成员节点;

其中,所述单覆盖成员节点对应有一个目标簇头节点,所述多覆盖成员节点对应有多个目标簇头节点。

4.根据权利要求2所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S23中,所述计算簇内每个传感器节点的平均相异度,具体包括:计算每个簇内所有传感器节点到该簇内其他各传感器节点的相异度,并求取所有相异度的平均值,即得到每个簇内各传感器节点的平均相异度为:式(1)中:P(Ci,pj)表示簇Ci内节点pj的平均相异度;M表示簇Ci中的节点数量;d(pj,pk)表示节点pj和节点pk之间的距离度量,即欧几里得距离。

5.根据权利要求4所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S23中,选择平均相异度最小的传感器节点作为新的簇头节点,具体为:式(2)中:pm表示新的簇头节点。

6.根据权利要求1所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S3中,基于所述K个簇中所覆盖的所有传感器节点的数量,计算所述K个簇的总节点覆盖率C′,具体为:式(3)中:q表示K个簇中所覆盖的所有传感器节点的数量;Q表示节点数据集中所有传感器节点的数量。

7.根据权利要求1所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S4中,计算所述待发送数据的成员节点到达其对应目标簇头节点的路径上的所有相邻传感器节点之间的信噪比,具体包括:S41、使用对数距离路径损失模型描述相邻传感器节点之间无直射路径情况下的信号传播,并计算所述对数距离路径损失模型的路径损失,即:式(4)中:PL(d)表示信号传播距离d处的路径损失;PL0表示参考距离d0处的路径损失,参考距离d0通常取为1米;n表示路径损失指数,通常取决于环境条件;Xf表示环境衰减因子;

S42、计算每个传感器节点的天线增益,即:

式(5)中:Gh表示传感器节点的天线增益;Ae表示天线的等效孔径面积,以平方米为单位;

S43、基于所述对数距离路径损失模型的路径损失以及每个传感器节点的天线增益,计算相邻传感器节点之间的信噪比,即:SNR(dB)=PL(d)+Gh‑N  (6);

式(6)中:SNR(dB)表示相邻两个传感器节点之间的信噪比;N表示噪声水平。

8.根据权利要求3所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S4中,对于所述单覆盖成员节点,采用直接通信或通过所述最优通信链路通信的方式将其数据传输至对应的目标簇头节点。

9.根据权利要求3所述的工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法,其特征在于,所述步骤S4中,对于所述多覆盖成员节点,根据所述最优通信链路确定最优目标簇头节点,并采用直接通信或通过所述最优通信链路通信的方式将其数据传输至所选的最优目标簇头节点。

10.一种实现工业环境下面向通信受限物联网节点的数据汇集方法的装置,其特征在于,所述装置包括:输入模块,用于输入给定的节点数据集和预设参数,其中,所述节点数据集中包含监测区域内所有传感器节点,所述预设参数包括节点覆盖半径R、节点覆盖率C以及初始簇头个数K;

聚类模块,用于基于给定的所述节点数据集和预设参数,使用K‑medoids聚类算法将所述节点数据集中的所有传感器节点划分为K个簇,其中,所得到的每个簇中均包含一个目标簇头节点和若干成员节点;

验证模块,用于基于所述K个簇中所覆盖的所有传感器节点的数量,计算所述K个簇的总节点覆盖率C′,并比较所述K个簇的总节点覆盖率C′与给定的节点覆盖率C:若所述K个簇的总节点覆盖率C′大于给定的节点覆盖率C,则执行步骤S4,若所述K个簇的总节点覆盖率C′小于或等于给定的节点覆盖率C,则将给定的初始簇头个数K加一,并重复执行步骤S2;

执行模块,用于判断待发送数据的成员节点与其对应的目标簇头节点之间是否存在中间成员节点,若存在:计算所述待发送数据的成员节点到达其对应目标簇头节点的路径上的所有相邻传感器节点之间的信噪比,以筛选所述待发送数据的成员节点与其对应的目标簇头节点之间的最优通信链路,并控制所述待发送数据的成员节点通过所述最优通信链路将其数据传输至对应的目标簇头节点;若不存在:控制所述待发送数据的成员节点直接将其数据传输至对应的目标簇头节点。