[发明专利]一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法。 

背景技术

无线传感器网络的路由协议分为平面路由协议和分簇路由协议。平面路由协议的特点是算法简单，易于实现，节点间是对等的，原则上不存在瓶颈，健壮性较好，但一般需要牺牲存储空间维持大量的路由表，还需要有控制信息维护路由，并且可扩充性差，大量增加通信负担，造成信息冗余及拥塞，使得能量损耗大、延迟长，不适合大规模传感器网络的应用。分簇路由的基本思想是通过簇头对簇内节点间的相关信息融合及转发机制减少数据的传输量和距离，进而降低通信能量，达到网络节能的目的。低能量自适应分群分层(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)算法是比较成熟且常用的分簇路由算法。它是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。 

在LEACH算法中，更多的通信都是局限在簇的内部，只有少数簇头节点才和远处的基站进行远距离通信，而且簇头节点是随机选择并且定期更换，在一定程序上实现了节点的负载平衡，延长了网络的生命周期，由于计算所需能耗要远远小于通信能耗，因此这项技术可以大大节约能量。 

但是LEACH算法也有它的不足之处，主要体现在： 

(1)每轮都要先确定簇头节点，然后建立簇，期间用于建立簇的通信开销较大，而且LEACH算法的簇头选举机制没有考虑到具体地理位置，这使得簇头节点不能保证均匀地分布在整个网络中，无法做到最优。 

(2)簇头的选举是等概率产生的，没有考虑到不同节点之间能量的差异。如果能量低的节点被选作簇头，很容易导致能量耗尽而死亡，那么在这一轮中，整个簇无法通信，既不利于整个网络的健壮性，也不利于网络整体生命的延长。 

(3)LEACH的传输距离较远，并且数据融合相对较少，这就要求传输更多的数据到更远的距离，从而加大了能量消耗。某些离基站很远的簇头节点能量消耗更快，这将影响网络的覆盖范围和生存时间。 

发明内容

针对LEACH算法的不足，提出了一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法， 主要从以下两个方面对LEACH算法进行优化和改进： 

通过选择优化簇头节点的个数n₂和选择最优节点作为簇头来改善网络质量，降低网络能量消耗，提高网络的生命周期。 

所述簇头节点个数n₂的选择依据发送数据消耗的能量、接收数据消耗的能量、簇头节点消耗的能量，以及发送ADV消息所消耗的能量，用公式表示为： 

n2=M2×N×ϵamp2π×(N×Eelec+ϵamp×dadv2)---(8)]]>

其中，M表示区域的宽度，N表示该区域均匀放置的节点数目，ε_amp表示向单位面积发送1bit数据时发射放大电路所消耗的能量，E_elec表示收发电路处理1bit数据所消耗的能量，d_adv表示簇头节点的最远覆盖距离。