[發明專利]基于樹的無線傳感器網絡能耗均衡的改進LEACH方法

有效

• 申請號: 202010926383.0
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112312511B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 魏倩;王俊;付春玲;周林;李軍偉;楊偉;郭睿杰;白可;謝保林
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: H04W40/08
• 分類號: H04W40/08;H04W40/10;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 王聚才

本發明提供了一種基于樹的無線傳感器網絡能耗均衡的改進LEACH方法，首先確定簇頭傳感器節點和區域內的工作節點，然后基于樹算法構建路由樹，實現無線傳感器網絡的能耗均衡；本發明在進行簇頭選擇時，考慮了傳感器節點到基站的距離和傳感器節點當前的剩余能量，使距離基站較近和剩余能量大的傳感器節點優先成為簇頭；其次，在無線傳感器網絡中所有傳感器節點都加入相應的簇頭形成簇之后，對每個簇進行區域劃分并選擇工作節點，并且優先選擇剩余能量大于該簇平均剩余能量的傳感器節點作為工作節點，避免遠距離傳輸造成巨大的能量消耗，從而使傳感器節點的能量消耗得到均衡，延長無線傳感器網絡的生命周期。

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡通信技術領域，尤其涉及一種基于樹的無線傳感器網絡能耗均衡的改進LEACH方法。

背景技術

隨著無線通信的快速發展，傳感器技術和傳感器制造工藝水平大大提升，各種微型傳感器被制造并應用在現實生活中，其中無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)就是由成千上萬個微型傳感器構成，由這些傳感器組成的無線傳感器網絡被廣泛應用于環境監測、工業控制、軍事戰場等諸多領域中。

雖然無線傳感器網絡在現實中的應用有很多優勢，但是它在實際應用中還存在一些亟待解決的問題：WSN中的傳感器數量非常大，傳感器的部署和能量補充都很不容易，因此這些傳感器在部署之后不再移動和更換；由于每個傳感器節點攜帶的能量有限，在無法得到能量補充的情況下，一旦節點能量耗盡，該節點將會失去監測功能，從而影響整個WSN的監測性能；如何在有限能量的前提下，降低節點傳輸數據能耗，延長WSN的生命周期，是無線通信技術中需要解決的重要問題之一。

目前延長WSN生命周期有效的方法是設計合理的路由算法。

2000年，MIT的Heinzelman等人提出了低功耗自適應分簇路由協議(LEACH路由協議)，這是最早的基于分簇的路由協議；該協議首次提出了執行過程分輪和網絡節點分簇的思想，在運行過程的每一輪中，簇都會重新構建，簇構建完成之后，再執行相應的數據傳輸；因此在每一輪中，LEACH算法可以分為兩個階段，分別是簇的構建階段和數據傳輸階段，在每一輪中都會依次執行這兩個階段；在簇的構建階段，首先要確定簇頭節點和非簇頭節點，簇頭節點通過簇頭選擇閾值來確定，滿足簇頭選擇閾值的節點將成為簇頭節點，其它節點成為非簇頭節點；簇頭節點和非簇頭節點確定后，非簇頭節點根據一定的規則選擇自己相應的簇頭加入并形成簇；在數據傳輸階段，每個簇內的非簇頭節點負責將收集到的數據發送給自己相應的簇頭節點，簇頭節點負責接收簇內非簇頭節點發送的數據并融合，融合之后簇頭節點將數據發送給基站，最后由基站將數據傳輸給監控中心進行相應的操作；每執行一次簇的構建和數據傳輸之后，網絡都會進入下一輪重新執行簇的構建和數據傳輸，直到網絡中的所有節點能量消耗完。

LEACH算法是最經典的分簇路由算法，對研究分簇路由算法具有很重要的指導意義；LEACH算法雖然可以延長網絡的生命周期，但是它仍然存在一些問題：

首先，LEACH在選擇簇頭的時候使用的是隨機選取的方法，導致簇頭的選擇不合理，可能加快某些節點的死亡；

其次，LEACH算法每輪所有節點都參與監測，會導致節點能量的浪費；

最后，簇頭傳輸數據時通過單跳的方式直接發送給基站，這可能會使距離基站較遠的簇頭浪費大量的能量。

上述問題都將導致網絡中節點的能耗不均衡，造成不必要的能量浪費，影響網絡的生存周期。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于樹的無線傳感器網絡能耗均衡的改進LEACH方法，能夠解決現有的LEACH算法簇頭節點選擇不合理、節點能量浪費和能耗不均衡的問題。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

基于樹的無線傳感器網絡能耗均衡的改進LEACH方法，包括以下步驟：