[发明专利]一种无线传感器网络中分层路由协议簇头选择方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中分层路由协议簇头选择方法的实现技术，可用于分层型的大规模无线传感器网络，属于信息技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中分层路由协议簇头选择方法。

背景技术

随着无线传感器网络应用领域和网络规模的不断扩展，分层路由协议逐渐成为无线传感器网络的主流选择。最早的无线传感器网络分层路由协议是LEACH协议，它是典型的分簇协议，如今许多分层路由协议都是在LEACH协议基础上演化而来的。

LEACH由Heinzelman等人提出，该协议是一种自组织、自适应集簇协议，它使用随机的方式将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中。在LEACH中节点被分为多个本地集簇，每个簇有一个节点作为本地汇聚节点或者簇头。其他节点可以接受簇头们的状态信息，并且通过选择最小通信能量的簇头来决定节点本身要属于哪一个簇。如图1所示LEACH是单跳分层数据聚合的一个例子。

为了将能量负载分配到尽可能多的节点上，LEACH的运行分为多个轮，每一轮分为两个阶段，即簇的建立阶段和稳定运行阶段。在第一个阶段主要工作是簇头的选择和簇的构建，第二个阶段是把采集的数据进行传输的过程。

在簇的建立阶段，首先要进行簇头的选择，即决定哪些节点成为本轮的簇头。LEACH协议中簇头的选择方法为：第n个节点产生一个0到1之间的随机数，如果这个随机数的值小于阈值                                                ，那么该节点成为本轮的簇头。在LEACH中阈值的计算是由公式（1）计算来的：

          (1)

其中，n为节点的序号，P为簇头节点占系统中所有节点的百分数，r为当前轮数，G为在最近的1/P轮中未当选簇头的节点集合。

在稳定阶段，传感器每个节点将采集的数据汇集并发送到汇聚节点或者通过簇头节点发送给网络的所有者。簇头节点对采集的数据进行数据融合即把大量数据压缩，然后再将信息传送给。因此，作为一个簇头节点比非簇头节点更耗能。

节点轮流充当簇头能够避免簇头的能量迅速耗尽，以及与簇头结点相连的所有节点的使用寿命的结束。所以，簇头选择、拓扑结构和数据路由是LEACH协议当前研究的重点。

在上述方法中，能够提高网络的生存时间，依赖于LEACH协议所使用的假设条件，这些假设条件是否符合实际的应用环境，直接影响到LEACH协议的性能。LEACH协议假设在最初的簇头选择回合中，所有节点的能量是相同的，并且，每个成为簇头的节点能量消耗都大致相同，不适用于节点能量不均衡的无线传感器网络。本发明针对上述问题提出解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线传感器网络中分层路由协议簇头选择方法，该选择方法针对上述机制进行改进。

本发明是这样来实现的，一种无线传感器网络中分层路由协议簇头选择方法， 首先假设无线传感器网络有N个节点，依次编号为1,2，…，N；当节点的剩余能量不为0时，称为活动节点，当节点的剩余能量为0时，称为死亡节点；其特征在于方法步骤如下：

（1）在第1轮，簇头的选择与LEACH协议相同，即：编号为n(0<n≤N)的节点产生一个0到1之间的随机数，如果这个随机数的值小于阈值，那么该节点成为本轮的簇头；否则，节点为非簇头节点；在LEACH中阈值的计算是由公式（1）计算来的：

                          (1)

其中，n为节点的编号，P为簇头节点占系统中所有节点的百分数，r为当前轮数，G为在最近的1/P轮中未当选簇头的节点集合；

（2）在第r(r>1)轮，首先，按公式(2)计算第r轮所有活动节点的平均能量E_mean(r)；

                               (2)

                         (3)

这里，E(n,r-1)是第n个节点在第(r-1)轮的剩余能量。

L(n)表示第n个节点在该轮的状态，为0表示该节点为死亡节点，为1表示该节点为活动节点。

基站广播E_mean(r)给所有的活动节点。

第r轮节点n(0<n≤N)的剩余能量权重EW(n,r)计算公式为

 (4)