一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法，该算法在选举簇头时同时考虑分簇负载分布情况和节点剩余能量两个优化目标，通过改进选举簇头时的阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围，以缓解簇头能量消耗不均衡的问题；同时通过控制不同位置簇头的覆盖范围，考虑距离权值和剩余能量权值，使得簇头的成员节点分布较为均匀，以提高节点能量效率。本发明专利技术提出的算法具有较高的能量利用率，很好地均衡了网络中节点的能量消耗，簇头分布和数量能更加稳定，可以提高数据传量、延长网络生命周期，更好地满足无线传感器网络在周期性监测环境中对网络生命周期的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线传感器网络能量均衡路由优化方法，尤其涉及一种基于簇头 期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法。
技术介绍
无线传感器网络WSN(WirelessSensorNetworks)作为物联网的一个重要分支， 其作用是在所监测环境中感知采集数据，相邻节点实时地感知同一对象信息，然后将其融 合、压缩后通过无线自组多跳协议发送给基站。WSN分簇路由具有层次清晰、扩展性强、易实 现相邻数据融合等优点，非常适合工业监测等应用领域。 分簇路由算法包含簇头的选举、簇头与基站之间的通信，可采用单跳和多跳 两种通信方式。W.Heinzelman等人提出的LEACH(Low-energyAdaptiveClustering Hierarchy)算法是一种自组织、自适应的完全分布式分簇路由算法。为了延长第一个传感 器节点的失效时间，LEACH算法利用随机性轮换簇头，从而达到平衡网络中节点能量负载的 目的。成法等人针对热区问题，提出基于非均匀分簇的多跳路由算法，靠近基站的簇的规模 小于远离基站的簇，因此靠近基站的簇头可以为簇间的数据转发预留能量，达到均衡簇头 能量消耗的目的。吕涛等人针对LEACH算法存在极大簇和极小簇的情况，提出通过控制簇 成员数和合并极小簇的方法使WSN中的各个分簇能量平衡；蒋畅江等人针对多跳方式的分 簇网络中热区的问题，提出了 一种高效的能量均衡、非均匀分簇和簇间多跳路由有机结合 的分布式路由算法；HuiLin等人针对集成的拓扑结构和分簇路由问题，提出了一个混和整 数线性规划模型，以确定最佳簇头位置；孙彦清等人针对节点负载不均而形成的热区问题， 提出了一种基于动态分区负载均衡的分簇路由算法；苏金树等人针对簇间负载的不均衡 性，提出了一个负载均衡感知的无线传感器网络容错分簇算法；胡峰松等人针对LEACH中 多个簇头与基站远距离通信能量消耗过多的问题，考虑节点的能量和位置因素，以优化簇 的结构；AiminWang等人在LEACH的簇头选举阈值上引入了能量信息，采用滑动窗口机制， 可根据动态节点数目调整簇头数。 由于簇头既要管理簇内通信又要进行簇间通信，所以簇头的能耗将比簇内成员节 点多，从而导致节点能量不均衡。如果簇头过早失效，将导致该簇在本轮失效，形成路由空 洞，进而缩短了网络生命周期。以上分簇路由算法虽然在一定程度上是能量高效的，但是节 点能量不均衡的问题尚未解决，虽然分簇路由算法可以优化数据的传输量，减少网络能耗， 但是簇头负载的不均衡性会严重影响路由算法的性能。因此，选举簇头时如何考虑节点的 剩余能量和平衡每个簇头的负载是至关重要的。
技术实现思路
专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于簇头期望的无线传感器网络 能量均衡路由优化方法（CHEEB)，该算法在选举簇头时同时考虑分簇负载分布情况和节点 剩余能量两个优化目标，通过改进选举簇头时的阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围， 以缓解簇头能量消耗不均衡的问题；同时通过控制不同位置簇头的覆盖范围，考虑距离权 值和剩余能量权值，使得簇头的成员节点分布较为均匀，以提高节点能量效率。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于簇头期望的无线传感 器网络能量均衡路由优化方法，其特征在于，包括：将簇数目、节点剩余能量以及簇的负载 均衡等因素加入到簇头的选举中，将分簇的负载分布情况和节点剩余能量作为选举簇头的 两个主要指标；所述簇头的选举的工作时间单位是轮，每一轮分为簇建立阶段和数据传输 阶段两部分，通过调整阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围，解决簇头能量消耗不均衡 的问题；通过控制不同位置簇头的覆盖范围，计算距离权值和剩余能量权值，使得簇头的节 点成员分布较为均匀，以提高节点能量效率。 优选的，Ci是节点i在当前周期是否成为过簇头的指示函数，所述簇建立阶段的 步骤为： A1、遍历每个未失效且Ci= 1的节点，节点i随机生成间的实数j; A2、计算节点i的阈值Pi，判断Pi与j的大小关系；如果j〈Pi，则进入步骤A3,否 则转到步骤A4; A3、节点i当选为本轮簇头，Ci置为0 ;簇头广播当选簇头信息；进入步骤A5 ; A4、节点i未当选本轮簇头，Ci置为1 ;接收所有簇头发来的当选簇头信息；进入 步骤A5 ; A5、未当选为簇头的非簇头节点依据接收到的每个簇头发来的当选簇头信息的信 号强度，选择信号强度最大的簇头作为本轮所要加入的簇；非簇头节点将连接请求信息反 馈给选定的簇头； A6、簇头接收非簇头节点的连接请求信息，根据簇内节点的数量，簇头创建一个告 知节点何时能传输数据的时间表，并且将这个时间表广播到簇内的节点；A7、簇内的节点接收时间表并进入数据传输阶段。 优选的，所述数据传输阶段的步骤为： B1、判断节点i是否是簇头；如果不是则进入步骤B2,如果是则进入步骤B3 ; B2、每个簇内的节点的无线电关闭直到分配给该节点的传输时间到来；Ci= 1的 节点在自己的最后一个时隙里发送剩余能量信息的数据包给簇头；Ci= 0的节点在自己的 最后一个时隙里发送不含剩余能量信息的数据包给簇头，转到步骤B3 ; B3、簇头打开接收器接收簇内节点发来的数据包；簇头接收到所有簇内节点的数 据包后先进行数据融合，再将捎带剩余能量信息发送给基站； B4、基站接收簇头发来的信息并计算Ci= 1节点的平均能量，再广播给全网； B5、节点接收计算阈值所必须的平均能量； B6、新一轮开始，判断是否是新周期，如果是新的周期则将所有节点的Ci重置为 1，转入步骤A1 ;如果判断为否则转入步骤B1。 优选的，步骤A3中簇头广播当选簇头信息包含当选簇头节点的ID和用于区分该 消息是否为公告信息的首部。 优选的，所述步骤A2中的阈值Pi的计算公式为： 因为只有当前周期还未成为簇头的节点可以参加簇头选举，所以（1)式中能量比 例因子的分母不是全体节点的平均能量，而是有资格参加选举的节点平均能量；同时（1) 式可以使得期望簇头数目保持k不变；簇头期望公式为：由W.Heinzelman等人研宄的文献《Anapplication-specificprotocol architectureforwirelessmicrosensornetworks》可知： 为了节点能量均衡，要多让高能量节点当选簇头，每个候选簇头将自身的地址位 置、剩余能量、节点与簇头的距离以及簇头与基站的距离等消息广播给其他节点；令节点i 的初始能量为Ei(l，在第r轮分簇之前的剩余能量权值F(EJ为 F(EJ越大，说明该节点在此时的剩余能量越大； 节点i到簇头叫的通信范围越小，簇头与节点之间的能耗越小；同样如果节点i 到基站BS的通信范围越小，数据传输的能耗也越小。根据自由传播能量模型可知，则综合 距离权值可以表示为结合公式（5)，同时加入综合距离权值使得簇头尽量靠近基站，减少数据传输消耗 的能量；节点i成为簇头的概率由式⑶计算：(8) 设a、0为调节节点剩余能量权值和综合距离权值在簇头竞争时所占的概率比 值，且a+ |3 = 1。 本专利技术的有益效果是：本专利技术的算法在选举簇头时同时考虑分簇负载分布情况和 节点剩余能量两个优化目标，通过改进选举簇头时的阈值来保证每一轮簇头数目在期望本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法，其特征在于，包括：将簇数目、节点剩余能量以及簇的负载均衡等因素加入到簇头的选举中，将分簇的负载分布情况和节点剩余能量作为选举簇头的两个主要指标；所述簇头的选举的工作时间单位是轮，每一轮分为簇建立阶段和数据传输阶段两部分，通过调整阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围，解决簇头能量消耗不均衡的问题；通过控制不同位置簇头的覆盖范围，计算距离权值和剩余能量权值，使得簇头的节点成员分布较为均匀，以提高节点能量效率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文贤，赖超，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35