[發明專利]基于LEACH的無線傳感器網絡分簇方法

無效

• 申請號: 201210366077.1
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN103024849A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 史琰;盛敏;于勝濤;楊敏;郭丹;牛永彬
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W74/08;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 張問芬;王品華

1.一種基于LEACH的無線傳感器網絡分簇方法，根據LEACH協議對無線傳感器網絡節點進行分簇，隨機選取臨時簇頭，再依據應用場景對臨時簇頭進行調整選取最優簇頭，將最優簇頭作為最終簇頭，所述分簇方法具體包括如下步驟：

(1)根據LEACH協議選取臨時簇頭：

式[1]中，N表示網絡中的無線傳感器節點個數，k表示每輪中期望產生的簇頭數，Ci(t)＝1表示在本次N/k輪中該無線傳感器節點未當選過簇頭，Ci(t)＝0表示在本次N/k輪中該無線傳感器節點已當選過簇頭，Ci(t)在每經過N/k輪時初始化為1；r是選舉輪數；?表示本次循環中選舉輪數，則?表示本次循環中當選過簇頭的無線傳感器節點個數，采用模?來保證每個無線傳感器節點每經過?輪選舉當選一次簇頭；

在每一輪開始的簇的建立階段，每個無線傳感器節點產生一個介于0到1之間的隨機數，如果這個隨機數小于P_i(t)(0≤P_i(t)≤1)，那么該無線傳感器節點當選為臨時簇頭；如果該隨機數大于P_i(t)，該無線傳感器節點成為普通節點；

(2)根據LEACH協議對網絡中無線傳感器節點進行臨時分簇，每個臨時簇頭會向全網廣播自己成為簇頭的廣播信息ADV，無線傳感器節點選擇距離自己最近的臨時簇頭發送加入信息JOIN；

(3)判斷選取的臨時簇頭的合理性，如果臨時簇頭不合理則進行簇頭調整，簇頭調整采取競爭方法，收到簇頭競爭信息的無線傳感器節點啟動定時器，到達定時時間后無線傳感器節點發送定時結束信息，其他無線傳感器節點接收到定時結束信息后取消定時器，最先到達定時時間的無線傳感器節點為最終簇頭；

(4)當最終簇頭確定以后，在簇內發送一個廣播告知所有無線傳感器節點新簇?頭信息，網絡中的分簇結構就建立起來，每一個簇的簇頭都是本輪的最優簇頭；

(5)分簇完成以后，網絡進入穩定的數據通信階段；

(6)當穩定數據通信階段結束后，網絡再進入一輪簇頭選取，分簇和數據通信工作。

2.根據權利要求1所述的基于LEACH的無線傳感器網絡分簇方法，其特征在于：所述步驟(3)的判斷選取的臨時簇頭的合理性并選取最終簇頭的方法按如下步驟進行：

(2a)普通無線傳感器節點向簇頭發送JOIN信息時，JOIN信息會被本簇內的其他無線傳感器節點偵聽檢測到，用參數N_i表示無線傳感器節點i能夠接收到本簇無線傳感器節點JOIN信息的個數，用N_總表示臨時簇頭接收到入簇消息JOIN的個數，即本簇的普通無線傳感器節點總個數，如果簇內存在無線傳感器節點個數N_i≥βN_總，要對臨時簇頭進行調整，其中，0.5＜β＜1，β隨著無線傳感器網絡的規模以及無線傳感器節點的密度不同而改變；

(2b)臨時簇頭以P_r＝0.5P_max的功率向簇內無線傳感器節點發送簇頭競爭調整消息；

其中，參數P_r表示臨時簇頭發送簇頭競爭消息的功率，P_max表示臨時簇頭與簇內最遠無線傳感器節點的通信功率，在無線傳感器節點向臨時簇頭發送JOIN信息時P_max能夠測出；

(2c)接收到簇頭競爭調整消息的無線傳感器節點啟動定時器，定時時間與無線傳感器節點的剩余能量信息和無線傳感器節點接收其他無線傳感器節點JOIN信息數有關，定時時間結束后無線傳感器節點發送定時結束信息，其他無線傳感器節點收到定時結束信息后取消定時器；

無線傳感器節點的定時器時間為：

式[2]中，參數T_i表示無線傳感器節點的計時器時間，T是常數，參數θ_i表示無線傳感器節點i剩余能量和與其他無線傳感器節點通信能耗的權重，用式[3]表示：?

式[3]中，參數E_res表示無線傳感器節點的剩余能量，參數E_init表示無線傳感器節點的初始能量，α(0≤α≤1)表示調節參數，用于調整無線傳感器節點的剩余能量和與其它節點通信功率的比重，參數?表示無線傳感器節點i與N_i個無線傳感器節點通信的平均功率，參數?表示簇頭節點與簇內所有無線傳感器節點通信的平均功率，(N_i-βN_總)避免競爭半徑內不合適節點競爭為最終簇頭，?表示無線傳感器節點i與N_i個無線傳感器節點的通信功率，?表示臨時簇頭與簇內所有無線傳感器節點的通信功率；

根據公式[2]與[3]可知，剩余能量較大、與簇內多數無線傳感器節點通信功率較小的無線傳感器節點的定時時間較小，選取θ_i值最大，T_i值最小，最先到達定時器時間和最先發送定時結束信息的簇頭為最終簇頭，也就是最優簇頭。

3.根據權利要求1所述的基于LEACH的無線傳感器網絡分簇方法，其特征在于：所述步驟(4)的穩定數據通信階段的通信過程如下：

(3a)簇間采用CDMA多址方式，簇內采用TDMA多址方式，在每一幀中，各無線傳感器節點工作在各自的時隙上，不在自己的時隙時無線傳感器節點關閉無線通信模塊以節約能量；

(3b)各無線傳感器節點持續采集監測數據，在自己的時隙發送數據消息Data給簇頭；

(3c)簇頭先對從各個無線傳感器節點接收來的數據進行數據融合處理，產生一個新的Data，最后將數據發給Sink節點，進一步減少了通信業務量；

(3d)在一個幀長中所有無線傳感器節點都完成了一次通信，網絡中所有無線傳感器節點采集的信息通過簇頭向Sink發送了一次，數據通信階段如此反復地執行若干個幀長。?