[發明專利]無線傳感網絡中基于軟閾值的簇頭選舉方法

無效

• 申請號: 200910087899.4
• 申請日: 2009-06-25
• 公開（公告）號: CN101594657A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: 丁嶸;楊冰;楊磊;王佳偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W84/18
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 李新華;徐開翟

技術領域：

本發明提出一種無線傳感器網絡分簇選舉方法，尤其涉及分簇方法中的簇頭選舉機制。

背景技術：

無線傳感器網絡(Wireless?sensor?networks)是當前國際上備受關注的，由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術、現代網絡及無線通信等技術。通過各類微型傳感器對目標信息進行實時監測，由嵌入式計算資源對信息進行處理，能夠協作地實時監測、感知和采集各種環境信息。無線傳感器網絡具有十分廣闊的應用前景，在軍事國防、工農業控制、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐和危險遠程控制等許多領域都有重要的科研價值和巨大的實用價值，已經引起了世界許多國家學術界，工業界乃至國防部門的高度重視，并成為進入2000年以來公認的新型前沿熱點研究領域，并被認為是將對二十一世紀產生巨大影響力的技術之一，將會對人類未來的生活方式產生深遠影響。

在無線傳感網絡的研究中，由于節點的能量有限，如何更有效的利用節點能量，均衡網絡負載，以延長網絡的生存時間是最重要的問題。對于擁有大量節點的無線傳感網絡，分層的拓撲結構在網絡管理和可擴展性上具有較多的優勢。在這種網絡結構中，簇頭(Cluster?Head，CH)承擔簇內的數據收集和處理工作，收集的數據通過簇頭間的路由發送至基站(Sink節點)。分簇算法也是目前的主流路由算法，在眾多的分簇算法中，LEACH(low?energy?adaptive?clustering?hierarchy)算法是比較成熟且常用的分簇路由算法，它的成簇方法貫穿于其后提出的很多層次路由協議中，如PEGASIS，HEED等。LEACH是一種基于簇的低能耗自適應的路由協議，其操作被分為若干的輪(round)，每輪包括簇的建立階段和穩定階段，如圖1所示。在簇的建立階段，相鄰節點動態地形成簇，隨機產生簇頭；在數據通信階段，簇內節點把數據發送給簇頭，簇頭進行數據融合并把結果發送給匯聚節點。LEACH算法能夠保證各節點等概率地擔任簇頭，使得網絡中的節點相對均衡地消耗能量。但LEACH算法也存在許多局限，如簇頭節點分布不均，未考慮節點剩余能量等。針對LEACH算法存在的局限，國內外學者提出了許多改進的算法，PEGASIS(Power-Efficient?Gathering?in?Sensor?Information?System)算法提出了簇內多跳的概念，通過在簇內建立一條遍歷所有簇成員節點的鏈路，每個節點只與距離自己最近的節點通信，并且在每一跳均進行數據融合，進一步降低了網絡能耗。HEED(Hybrid?Energy?Efficient?Distributed)算法針對LEACH簇頭分布不均勻這一問題進行了改進，在簇頭選擇中考慮了節點的剩余能量，并以主從關系引入了多個約束條件作用于簇頭的選擇過程，能產生分布更加均勻的簇頭。

發明內容：

本發明主要針對LEACH算法中簇頭選取機制的不足進行了改進，并在LEACH架構的基礎上提出了基于軟閾值的簇頭選舉方法(STCS，Soft?Threshold?based?Cluster-headSelection?Method)。此方法對LEACH的簇頭選舉機制進行了改進，不再采用硬性的閾值來控制節點成為簇頭的概率，而使用一種動態調整閾值的策略，能夠更好的均衡網絡能耗，延長網絡生存時間。

在LEACH算法中，選取簇頭的方法為：對于網絡中的任意一個節點i，隨機地產生一個0到1之間的隨機數，并將隨機數與閾值T(i)進行比較，若隨機數小于T(i)，節點被選擇擔任本輪的簇頭，并將閾值T(i)設置為0，下次將不再參與簇頭選舉，否則，若節點產生的隨機數大于或等于T(i)，節點不擔任該輪簇頭。T(i)表示如下：