一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法技术

本发明专利技术属于无线传感器网络系统技术领域，公开了一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，通过设置一个能量阈值Va，将数据传输过程分为全网簇头选举和簇内簇头选举；当在所有簇头中存在能量小于能量阈值Va时，采用全网选举的方法，使区域内的每一个节点都有机会成为簇头；当在所有簇头中存在能量大于能量阈值Va时，进行簇内选举，依据剩余能量、节点密度和到簇内质心的距离的约束条件来选择新的簇内簇头，簇的结构不变化，在簇内选举一个非簇头节点成为新的簇头。本发明专利技术有了无线传感器网路的最优簇头比，就可以进行后续所有的仿真实验，能够更加准确的、可靠的模拟各种实践场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法
本专利技术属于无线传感器网络系统
，尤其涉及一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法。
技术介绍
无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线传输构成的自组织网络，目的是实时感知、监测、采集和处理区域内的相关环境参数，并最终发送给终端用户。无线传感器网络中节点的能量是由电池提供，节点的生存时间受到电池容量限制，因此，节能问题一直是无线传感器网络的研究热点。基于此，设计高效低能耗的路由算法来延长网络的生存期，并提高网络的利用率，对无线传感器网络来说非常重要。基于分簇的路由算法能够有效延长网络生存期和提高网络利用率，目前，LEACH路由算法是无线传感器网络中分簇路由算法的研究基础。其基本思想是周期性地以一定概率随机选出簇头节点，其他节点选择较近的簇头入簇，并在自己所属的时间片内将数据直接发送给本簇的簇头，簇头节点接收并融合本簇内节点发送来的数据并直接传输给基站。LEACH算法将整个网络的能量消耗平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能量消耗、提高网络整体生存时间的目的。但也存在着一些问题：LEACH路由协议算法中没有说明簇头节点如何进行选举分配，才能保证网络数据信息传递的更优，可能会导致被选成簇头的节点集中分布在一个局部区域内，通往汇聚节点的关键路径上节点能量迅速耗尽；LEACH路由协议算法中每进行一轮的数据传输，全网就进行一次簇头的重新选举，一些不必要的全网簇头选举需要消耗过多的能量，大部分的电池能量可能被浪费在簇头的重新选举中；LEACH路由协议算法中的簇头选举不具有合理性，仅通过非常简单的公式设定簇头选举的阈值，不利于提高无线传感器网络能量的利用率。没有考虑节点的剩余能量、密度以及地理位置等的影响。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于LEACH分簇协议的无线传感器网络数据传输方法及系统。本专利技术是这样实现的，一种基于LEACH分簇协议的无线传感器网络数据传输方法，在所述改进后的方法中，减少不必要的全网簇头选举，把它改为簇内的局部选举，并且在簇头的选举过程中考虑了节点的剩余能量、节点密度以及节点位置，以均衡各个节点能量的消耗，最终无线传感器网络寿命的提高。本专利技术的主要思路是，通过设置一个能量阈值Va，将数据传输过程分为全网簇头选举和簇内簇头选举；当在所有簇头中存在能量小于能量阈值Va时，采用全网选举的方法，使区域内的每一个节点都有机会成为簇头；当在所有簇头中存在能量大于能量阈值Va时，进行簇内选举，依据剩余能量、节点密度和到簇内质心的距离的约束条件来选择新的簇内簇头，簇的结构不变化，在簇内选举一个非簇头节点成为新的簇头。进一步，所述基于LEACH分簇协议的无线传感器网络数据传输方法包括以下步骤：步骤一，第一轮进行全网簇头选举，依据剩余能量，节点密度，采用簇头选举阈值公式选举簇头；步骤二，检查所有簇头剩余能量，簇头中有剩余能量小于Va的簇头，进行步骤三；否则进行步骤四；步骤三，进行全网簇头选举，首先，选取剩余能量大于节点平均剩余能量的节点为候选节点G1；所述设计的阈值簇头选举公式与节点的相对密度和到汇聚节点的相对距离有关，G1集合中的节点产生随机数，跟簇头选举阈值公式产生的值进行比较，如果随机数小于簇头选举阈值公式产生的值，G1集合中的节点成为簇头，否则成为普通节点；簇头广播加簇信息，普通节点根据接收信号大小，选取簇头，并且加入簇头；步骤四，进行簇内簇头选举，簇内节点的集合为L，选取簇内剩余能量大于或等于平均剩余能量的节点为集合L1，在集合L1中选取节点相对密度大于或等于平均相对密度的节点为集合L2，在集合L2中选取簇内离质心最近的节点为簇头节点；原始簇头将为普通节点，维持簇成员不变；步骤五，稳定阶段，进行数据信息的收集和传送；步骤六，进行下一轮簇头选举，从步骤二开始。进一步，所述步骤三中计算簇头选举阈值的方法具体包括：每个节点计算自己的剩余能量，然后汇聚节点计算所有节点的平均剩余能量，选取区域内剩余能量大于所有节点平均剩余能量的节点，放到一个集合中，此集合简称为G1；簇头选举阈值公式设计为：式中ni是当前节点节点号，P是网络中所需簇首数目与总节点数目的比值，即簇头比率；r是当前的选举轮数。a,b是加权系数且a+b＝1，ρ(ni)是节点的相对密度，表示的是在标准通信半径R内，节点ni的邻居节点数与标准簇内邻居节点数的比值；公式为：式中Neighbor(ni)为节点ni在标准通信半径范围内的邻居节点数，N为区域内总节点数；(1/P-1)是标准簇内的邻居节点数；邻居节点数越大，选为簇头的可能性越大；λD(ni)是节点到汇聚节点的平均距离与节点到汇聚节点的距离的比值；公式为：式中DtoBS(ni)为节点ni到汇聚节点的距离。节点到汇聚节点的距离越大，选为簇头的可能性越小；候选簇头节点生成随机数，然后判断自己生成的随机数是否小于簇头选举阈值，如果小于此阈值则向基站发送竞选消息；基站接收某些节点发送过来的竞选消息，然后进行簇头数据信息的处理，决定哪些节点为簇头。进一步，所述步骤四中进行簇内簇头选举的计算具体包括：第j个簇内所有节点的平均剩余能量为：式中Nj为第j个簇的簇内总节点数，E(ni)为节点ni的当前剩余能量，将E(ni)与相比较，选E(ni)大于或等于的节点存入集合L1；计算集合L1中每个节点的相对密度ρ(ni)，得到平均相对密度：式中H为集合L1的总结点数，ρ(ni)为节点ni的相对密度，将ρ(ni)与相比较，选ρ(ni)大于或等于的节点存入集合L2；计算集合L2中节点到质心的距离为：其中节点ni的坐标为(xi,yi)，质心坐标为即取D(ni)最小的节点作为簇头。进一步，所述步骤五的稳定阶段，进行数据信息的收集和传送过程中，得到最优簇头比Popt，具体包括：每个传感器节点发送lbit数据信息，消耗的能量为：其中d是传递数据的两节点间距离，d0是临界距离；每个传感器节点接收lbit数据信息，消耗的能量为：ERX(l,d)＝lEelec；假设无线传感器网路区域中，所有节点随机的分配到面积为M2的区域中，簇头总个数为K，融合1bit数据信息要消耗的节点能量为EDA，融合后的数据占所传送的数据信息总量的比为μ，其中0＜μ＜1，融合后的数据信息量为L＝μ×1；进行一轮，传送数据长度为l,单位为bit；簇头消耗总能量为：ECH＝l×Eelec×(N/K-1)+l×EDA×(N/K)+l×L×Eelec+l×L×εmpd4toBS；Eno-CH＝l×Eelec+l×εfsd2toCH；K个簇所消耗的无线传感器网络总的能量为：Etotal＝K×[ECH+(N/K-1)×Eno-CH]≈K×(ECH+N/K×Eno-CH)＝l×[2N×Eelec+(μ-1)×K×Eelec+N×EDA+μ×εmpd4toBS+N×εfsd2toCH]；≈l×[2N×Eelec+N×EDA+μ×εmpd4toBS+N×εfsd2toCH]得到随着簇头数量的不断增加或减少，传感器网络总能量的消耗不断变化，必然存在的一个簇头数K的临界值，使网络总能量消耗值趋于最小；对式Etotal求导，导数为0时，得到最优簇头数：得到最优簇头比本专利技术的另一目的在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，所述基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法通过设置一个能量阈值Va，将数据传输过程分为全网簇头选举和簇内簇头选举；当在所有簇头中存在能量小于能量阈值Va时，采用全网选举的方法，使区域内的每一个节点都有机会成为簇头；当在所有簇头中存在能量大于能量阈值Va时，进行簇内选举，依据剩余能量、节点密度和到簇内质心的距离的约束条件来选择新的簇内簇头，簇的结构不变化，在簇内选举一个非簇头节点成为新的簇头。

【技术特征摘要】
1.一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，所述基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法通过设置一个能量阈值Va，将数据传输过程分为全网簇头选举和簇内簇头选举；当在所有簇头中存在能量小于能量阈值Va时，采用全网选举的方法，使区域内的每一个节点都有机会成为簇头；当在所有簇头中存在能量大于能量阈值Va时，进行簇内选举，依据剩余能量、节点密度和到簇内质心的距离的约束条件来选择新的簇内簇头，簇的结构不变化，在簇内选举一个非簇头节点成为新的簇头。2.如权利要求1所述的基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，所述基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法包括以下步骤：步骤一，第一轮进行全网簇头选举，依据剩余能量，节点密度，采用簇头选举阈值公式选举簇头；步骤二，检查所有簇头剩余能量，簇头中有剩余能量小于Va的簇头，进行步骤三；否则进行步骤四；步骤三，进行全网簇头选举，首先，选取剩余能量大于节点平均剩余能量的节点为候选节点G1；G1集合中的节点产生随机数，跟阈值公式产生的值进行比较，如果随机数小于阈值簇头选举公式产生的值，G1集合中的节点成为簇头，否则成为普通节点；簇头广播加簇信息，普通节点根据接收信号大小，选取簇头，并且加入簇头；步骤四，进行簇内簇头选举，簇内节点的集合为L，选取簇内剩余能量大于或等于平均剩余能量的节点为集合L1，在集合L1中选取节点相对密度大于或等于平均相对密度的节点为集合L2，在集合L2中选取簇内离质心最近的节点为簇头节点；原始簇头将为普通节点，维持簇成员不变；步骤五，稳定阶段，进行数据信息的收集和传送；步骤六，进行下一轮簇头选举，从步骤二开始。3.如权利要求2所述的基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，所述步骤三中的簇头选举阈值方法具体包括：每个节点计算自己的剩余能量，然后汇聚节点计算所有节点的平均剩余能量，选取区域内剩余能量大于所有节点平均剩余能量的节点，放到一个集合中，此集合简称为G1；簇头选举阈值公式为：式中ni是当前节点节点号，P是网络中所需簇首数目与总节点数目的比值，即簇头比率；r是当前的选举轮数。a,b是加权系数且a+b＝1，ρ(ni)是节点的相对密度，表示的是在标准通信半径R内，节点ni的邻居节点数与标准簇内邻居节点数的比值；公式为：其中Neighbor(ni)为节点ni在标准通信半径范围内的邻居节点数，N为区域内总节点数；(1/P-1)是标准簇内的邻居节点数；邻居节点数越大，选为簇头的可能性越大；λD(ni)是节点到汇聚节点的平均距离与节点到汇聚节点的距离的比值；公式为：其中b是加权系数，DtoBS(ni)为节点ni到汇聚节点的距离。节点到汇聚节点的距离越大，选为簇头的可能性越小；候选簇头节点生成随机数，然后判断自己生成的随机数是否小于簇头选举阈值，如果小于此阈值则向基站发送竞选消息；基站接收某些节点发送过来的竞选消息，然后进行簇头数据信息的处理，决定哪些节点为簇头。4.如权利要求2所述的基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，所述步骤四中进行簇内簇头选举的计算具体包括：第j个簇内所有节点的平均剩余能量为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李欣，张林桥，张文魁，
申请(专利权)人：武汉中原电子信息有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42