[发明专利]基于LEACH的无线传感器网络分簇方法

权利要求书

1.一种基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，根据LEACH协议对无线传感器网络节点进行分簇，随机选取临时簇头，再依据应用场景对临时簇头进行调整选取最优簇头，将最优簇头作为最终簇头，所述分簇方法具体包括如下步骤：

(1)根据LEACH协议选取临时簇头：

式[1]中，N表示网络中的无线传感器节点个数，k表示每轮中期望产生的簇头数，Ci(t)＝1表示在本次N/k轮中该无线传感器节点未当选过簇头，Ci(t)＝0表示在本次N/k轮中该无线传感器节点已当选过簇头，Ci(t)在每经过N/k轮时初始化为1；r是选举轮数； 表示本次循环中选举轮数，则 表示本次循环中当选过簇头的无线传感器节点个数，采用模 来保证每个无线传感器节点每经过 轮选举当选一次簇头；

在每一轮开始的簇的建立阶段，每个无线传感器节点产生一个介于0到1之间的随机数，如果这个随机数小于P_i(t)(0≤P_i(t)≤1)，那么该无线传感器节点当选为临时簇头；如果该随机数大于P_i(t)，该无线传感器节点成为普通节点；

(2)根据LEACH协议对网络中无线传感器节点进行临时分簇，每个临时簇头会向全网广播自己成为簇头的广播信息ADV，无线传感器节点选择距离自己最近的临时簇头发送加入信息JOIN；

(3)判断选取的临时簇头的合理性，如果临时簇头不合理则进行簇头调整，簇头调整采取竞争方法，收到簇头竞争信息的无线传感器节点启动定时器，到达定时时间后无线传感器节点发送定时结束信息，其他无线传感器节点接收到定时结束信息后取消定时器，最先到达定时时间的无线传感器节点为最终簇头；

(4)当最终簇头确定以后，在簇内发送一个广播告知所有无线传感器节点新簇 头信息，网络中的分簇结构就建立起来，每一个簇的簇头都是本轮的最优簇头；

(5)分簇完成以后，网络进入稳定的数据通信阶段；

(6)当稳定数据通信阶段结束后，网络再进入一轮簇头选取，分簇和数据通信工作。

2.根据权利要求1所述的基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，其特征在于：所述步骤(3)的判断选取的临时簇头的合理性并选取最终簇头的方法按如下步骤进行：

(2a)普通无线传感器节点向簇头发送JOIN信息时，JOIN信息会被本簇内的其他无线传感器节点侦听检测到，用参数N_i表示无线传感器节点i能够接收到本簇无线传感器节点JOIN信息的个数，用N_总表示临时簇头接收到入簇消息JOIN的个数，即本簇的普通无线传感器节点总个数，如果簇内存在无线传感器节点个数N_i≥βN_总，要对临时簇头进行调整，其中，0.5＜β＜1，β随着无线传感器网络的规模以及无线传感器节点的密度不同而改变；

(2b)临时簇头以P_r＝0.5P_max的功率向簇内无线传感器节点发送簇头竞争调整消息；

其中，参数P_r表示临时簇头发送簇头竞争消息的功率，P_max表示临时簇头与簇内最远无线传感器节点的通信功率，在无线传感器节点向临时簇头发送JOIN信息时P_max能够测出；

(2c)接收到簇头竞争调整消息的无线传感器节点启动定时器，定时时间与无线传感器节点的剩余能量信息和无线传感器节点接收其他无线传感器节点JOIN信息数有关，定时时间结束后无线传感器节点发送定时结束信息，其他无线传感器节点收到定时结束信息后取消定时器；

无线传感器节点的定时器时间为：

式[2]中，参数T_i表示无线传感器节点的计时器时间，T是常数，参数θ_i表示无线传感器节点i剩余能量和与其他无线传感器节点通信能耗的权重，用式[3]表示： 

式[3]中，参数E_res表示无线传感器节点的剩余能量，参数E_init表示无线传感器节点的初始能量，α(0≤α≤1)表示调节参数，用于调整无线传感器节点的剩余能量和与其它节点通信功率的比重，参数 表示无线传感器节点i与N_i个无线传感器节点通信的平均功率，参数 表示簇头节点与簇内所有无线传感器节点通信的平均功率，(N_i-βN_总)避免竞争半径内不合适节点竞争为最终簇头， 表示无线传感器节点i与N_i个无线传感器节点的通信功率， 表示临时簇头与簇内所有无线传感器节点的通信功率；

根据公式[2]与[3]可知，剩余能量较大、与簇内多数无线传感器节点通信功率较小的无线传感器节点的定时时间较小，选取θ_i值最大，T_i值最小，最先到达定时器时间和最先发送定时结束信息的簇头为最终簇头，也就是最优簇头。

3.根据权利要求1所述的基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，其特征在于：所述步骤(4)的稳定数据通信阶段的通信过程如下：

(3a)簇间采用CDMA多址方式，簇内采用TDMA多址方式，在每一帧中，各无线传感器节点工作在各自的时隙上，不在自己的时隙时无线传感器节点关闭无线通信模块以节约能量；

(3b)各无线传感器节点持续采集监测数据，在自己的时隙发送数据消息Data给簇头；

(3c)簇头先对从各个无线传感器节点接收来的数据进行数据融合处理，产生一个新的Data，最后将数据发给Sink节点，进一步减少了通信业务量；

(3d)在一个帧长中所有无线传感器节点都完成了一次通信，网络中所有无线传感器节点采集的信息通过簇头向Sink发送了一次，数据通信阶段如此反复地执行若干个帧长。