[发明专利]一种能量有效型无线传感器网络成簇算法

说明书

本发明属于无线传感网路由协议领域，主要是涉及一种基于无线传感器网络的能量有效型成簇算法。算法步骤如下：步骤1：LEACH协议簇首选取机制与网络中簇首比例有直接关联，优化最优簇首比例；步骤2：考虑节点剩余能量以及节点当选为簇首所需最低能量阈值E_th；步骤3：考虑节点周围密度，使节点密集的区域当选簇首的几率增大，簇首数增多，节点稀疏的区域簇首数较少即可；步骤4：节点产生随机数与改进阈值比较，若小于阈值，则该节点成为临时簇首，非簇首节点根据距离和剩余能量比两个因素进行入簇。步骤5：考虑剩余能量及通信因子来确立最终簇首。本发明对簇首选取及节点入簇两方面策略进行改进，达到节约能量和均衡能耗的目的，延长网络寿命。

技术领域：

本发明属于无线传感网路由协议领域，主要是涉及一种基于无线传感器网络的能量有效型成簇算法。

背景技术：

无线传感器网络(WSN)的节能研究导致聚类技术的分类，分簇是提高网络寿命的方法之一，也是一个热门的研究领域，因为它可以平衡节点的能量消耗。传感器节点的能耗主要用于数据的发送和接收，直接传输中，节点将其采集的信息直接传输给基站(BS)，这样会导致远离BS的节点消耗大量能量，过快死亡，从而急剧缩短网络寿命。分簇聚类技术通过选取簇首(CH)减少向基站传输数据的负载来最小化能量消耗，簇首类似集群的领导者，相对于普通节点承担更多的能耗任务，与基站或者其他簇首通信，而普通节点只需将采集数据发送给簇首，大大减短了传输距离，节省了单个节点的能量。分簇集群技术将整个无线传感器网络划分为多个簇，使整个网络层次分明，节点分工明确，节约能量并均衡网络，从而提高整个网络寿命。

分簇聚类算法中可用的主要思想之一是使用低功耗自适应集群层次型(LowEnergyAdaptive Clustering Hierarchy，LEACH)算法。LEACH是众所周知的集群算法之一，是层次路由协议中较为经典的协议，采用轮的方式运行，每一轮由成簇阶段和稳定传输阶段组成。在成簇阶段，每个节点随机产生一个0到1的数字，若该数字小于阈值，则当选为CH，非簇首节点根据信号强度加入相应的簇；稳定传输阶段，簇内成员节点(CM)根据TDMA时隙表在自己的时隙内将数据发送给CH。LEACH协议随机选择簇首，并没有考虑其他因素，而CH需承担数据接收、融合及传输等更多的任务，因此，合理的簇首选取方案及节点入簇机制变得尤为重要。本文提出一种新的成簇方法，对簇首选取及节点入簇策略进行改进，达到降低和均衡能耗的目的。

发明内容

本发明提出一种基于WSN的成簇聚类算法，通过增强能耗均衡的方式来降低能耗，延长网络寿命。算法基于两个方面进行改进，首先，修改簇头选取方法以确保WSN中所有传感器节点之间簇头的稳定生成与工作；其次，普通节点入簇时考虑能耗热区的问题，从而形成非均匀网络簇集，达到降低和均衡能耗的目的。

本发明的技术方案如下：

步骤S1：LEACH协议簇首选取机制与网络中簇首比例有直接关联，因此确定最优簇首比例对网络功耗有直接影响。

步骤S2：相对于普通CM节点来说，CH需要承担接收、融合、转发等更多的能耗任务，不考虑节点剩余能量以及节点当选为CH所需最低能量阈值E_th，CH会从低能节点中产生，而这些节点自身携带的能量无法支撑其完成簇首工作，从而过早死亡，缩短网络寿命。

步骤S3：考虑节点周围的节点密度，使节点密集的区域当选CH的几率增大，CH数增多，节点稀疏的区域CH数较少即可。不考虑节点的位置信息，会使得CH的分布不均匀，簇的形成不合理。

步骤S4：节点随机产生一个0～1间的随机数，将该随机数与改进的阈值进行比较，若小于阈值，则该节点成为临时簇首，接下来非CH节点根据距离和剩余能量比两个因素来选择合适的簇进行入簇。