[發明專利]一種無線傳感器網絡中分層路由協議簇頭選擇方法

在審

• 申請號: 201410770123.3
• 申請日: 2014-12-15
• 公開（公告）號: CN104411000A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 李忠民
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W84/18
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡中分層路由協議簇頭選擇方法的實現技術，可用于分層型的大規模無線傳感器網絡，屬于信息技術領域，具體涉及一種無線傳感器網絡中分層路由協議簇頭選擇方法。

背景技術

隨著無線傳感器網絡應用領域和網絡規模的不斷擴展，分層路由協議逐漸成為無線傳感器網絡的主流選擇。最早的無線傳感器網絡分層路由協議是LEACH協議，它是典型的分簇協議，如今許多分層路由協議都是在LEACH協議基礎上演化而來的。

LEACH由Heinzelman等人提出，該協議是一種自組織、自適應集簇協議，它使用隨機的方式將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中。在LEACH中節點被分為多個本地集簇，每個簇有一個節點作為本地匯聚節點或者簇頭。其他節點可以接受簇頭們的狀態信息，并且通過選擇最小通信能量的簇頭來決定節點本身要屬于哪一個簇。如圖1所示LEACH是單跳分層數據聚合的一個例子。

為了將能量負載分配到盡可能多的節點上，LEACH的運行分為多個輪，每一輪分為兩個階段，即簇的建立階段和穩定運行階段。在第一個階段主要工作是簇頭的選擇和簇的構建，第二個階段是把采集的數據進行傳輸的過程。

在簇的建立階段，首先要進行簇頭的選擇，即決定哪些節點成為本輪的簇頭。LEACH協議中簇頭的選擇方法為：第n個節點產生一個0到1之間的隨機數，如果這個隨機數的值小于閾值????????????????????????????????????????????????，那么該節點成為本輪的簇頭。在LEACH中閾值的計算是由公式（1）計算來的：

??????????(1)

其中，n為節點的序號，P為簇頭節點占系統中所有節點的百分數，r為當前輪數，G為在最近的1/P輪中未當選簇頭的節點集合。

在穩定階段，傳感器每個節點將采集的數據匯集并發送到匯聚節點或者通過簇頭節點發送給網絡的所有者。簇頭節點對采集的數據進行數據融合即把大量數據壓縮，然后再將信息傳送給。因此，作為一個簇頭節點比非簇頭節點更耗能。

節點輪流充當簇頭能夠避免簇頭的能量迅速耗盡，以及與簇頭結點相連的所有節點的使用壽命的結束。所以，簇頭選擇、拓撲結構和數據路由是LEACH協議當前研究的重點。

在上述方法中，能夠提高網絡的生存時間，依賴于LEACH協議所使用的假設條件，這些假設條件是否符合實際的應用環境，直接影響到LEACH協議的性能。LEACH協議假設在最初的簇頭選擇回合中，所有節點的能量是相同的，并且，每個成為簇頭的節點能量消耗都大致相同，不適用于節點能量不均衡的無線傳感器網絡。本發明針對上述問題提出解決方案。

發明內容

本發明的目的在于提供一種無線傳感器網絡中分層路由協議簇頭選擇方法，該選擇方法針對上述機制進行改進。

本發明是這樣來實現的，一種無線傳感器網絡中分層路由協議簇頭選擇方法，?首先假設無線傳感器網絡有N個節點，依次編號為1,2，…，N；當節點的剩余能量不為0時，稱為活動節點，當節點的剩余能量為0時，稱為死亡節點；其特征在于方法步驟如下：

（1）在第1輪，簇頭的選擇與LEACH協議相同，即：編號為n(0<n≤N)的節點產生一個0到1之間的隨機數，如果這個隨機數的值小于閾值，那么該節點成為本輪的簇頭；否則，節點為非簇頭節點；在LEACH中閾值的計算是由公式（1）計算來的：

??????????????????????????(1)

其中，n為節點的編號，P為簇頭節點占系統中所有節點的百分數，r為當前輪數，G為在最近的1/P輪中未當選簇頭的節點集合；

（2）在第r(r>1)輪，首先，按公式(2)計算第r輪所有活動節點的平均能量E_mean(r)；

???????????????????????????????(2)

?????????????????????????(3)

這里，E(n,r-1)是第n個節點在第(r-1)輪的剩余能量。

L(n)表示第n個節點在該輪的狀態，為0表示該節點為死亡節點，為1表示該節點為活動節點。

基站廣播E_mean(r)給所有的活動節點。

第r輪節點n(0<n≤N)的剩余能量權重EW(n,r)計算公式為

?(4)