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一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法技术

技术编号:19011896 阅读:194 留言:0更新日期:2018-09-22 11:14
本发明专利技术公开了一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法,该方法包括以下步骤:(1)节点随机部署;(2)根据阈值判断节点能否成为簇头;(3)步骤(2)中节点若不能成为簇头,判断该节点是否被多个簇头节点覆盖;(4)步骤(3)中节点若多个簇头节点被覆盖,则对该节点进行倾向度计算;(5)将步骤(4)中倾向度最高的簇头节点加入进行信息传送。本发明专利技术在考虑网络节点剩余能量的基础上,结合簇头节点覆盖范围内节点的数量,考虑基站、簇头和节点的位置,使得节点入簇的方式更为合理,减少了网络整体的能量损耗。理论分析和仿真实验结果表明,改进算法与原算法相比,降低了能量开销,延长了网络生命周期。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法
本专利技术涉及一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法。
技术介绍
近些年来,无线传感器技术已经成为通信和计算机领域新兴的研究热点。由部署在检测区域内的大量传感器节以及基站组成的无线传感器网络(WSN)引起了人们极大的关注。无线传感器网络应用于环境监测、军事、交通运输等方面具有非常明显的优势,其节点具有一定的计算、存储和信息传输等功能,可以通过在待监测区域人工或随机播撒布置大量传感器节点,实时采集所需要的数据信息,通过单跳或者多跳方式传输至基站。WSN路由算法:路由算法是无线传感器网络技术中的基础和核心,它会根据不同的要求将各个节点采集到的数据信息传递到基站节点。在整个过程中,如何提高网络整体的能量高效性是最为重要的问题之一。目前,国内外学者提出了许多针对各种不同问题的路由算法,其中分簇路由机制是一种能够降低能量消耗、拓扑管理方便的路由协议,它的成员节点功能相对单一,无需维护较为复杂的路由信息,适用于大规模的网络。它可以将整个无线传感器网络分成若干个簇,每个簇内选择一个节点作为簇头,簇头节点承担中继任务,负责接收簇内其他节点采集的数据和信息进行处理,并将其传输至基站。2000年Heinzelman提出的LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)是WSN第一个分簇路由协议,这也引起了许多学者的浓厚兴趣,自此以后,出现了许多典型的分簇路由协议。如:门限敏感的传感器网络节能算法TEEN(ThresholdsensitiveEnergyEfficientsensorNetworkprotocol)、分布式能量有效分簇算法DEEC(DistributeEnergyEfficientClusteringAlgorithm)以及LEACH的改进算法PEGASIS(Power-EfficientGatheringinSensorInformationSystem)等。LEACH算法中,每个节点随机自主决定是否作为簇头,因此它不能保证簇的合理分布以及簇头的合理选择。TEEN算法提出双门限值降低数据传输量,PEGASIS算法每轮只选择一个簇头与基站通信,这两种路由算法都不十分适合实时应用。采用的DEEC算法虽然能提高剩余能量较高节点担任簇头的可能性,但它仍然有以下几种缺点:①普通节点进行入簇选择的时候只是单纯的依据接收到的邻近簇头节点的信号强弱;②剩余能量较多的节点并不能重复担任簇头;③选择簇头时并没有考虑到备选簇头覆盖半径内节点的数量,考虑的因素有局限性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是:提供一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法,准确对农村电网智能化水平综合评价方法,用较为完善的指标体系对智能农网做完整的分析。本专利技术的技术方案:一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法,该方法包括以下步骤:(1)节点随机部署;(2)根据阈值判断节点能否成为簇头;(3)步骤(2)中节点若不能成为簇头,判断该节点是否被多个簇头节点覆盖;(4)步骤(3)中节点若多个簇头节点被覆盖,则对该节点进行倾向度计算;(5)将步骤(4)中倾向度最高的簇头节点加入进行信息传送。步骤(2)中判断节点成为簇头的方法如下:在无线传感器网络中,每个节点的剩余能量不同,节点担任簇头节点的概率如式(3)所示:式中,popt为初始设置的簇头节点与普通节点数量的比值,Er(i)为节点i剩余的能量值,为r轮过后网络所有节点整体的平均剩余能量值,当选取簇头时,每个节点都会产生一个0至1之间的数值,若某节点的这个数值小于设定的阈值Ti,则此节点担任簇头,Ti的计算公式为式(4):其中,G为最近1/pi轮中没有担任过簇头节点的集合,r表示当前循环进行的轮数,i表示第i节点,当簇头节点选择完后,对本节点将担任簇头的信息进行广播,普通节点便会根据信号的强弱选择合适的簇头节点进行入簇。步骤(3)中判断节点被多个簇头节点覆盖的方法步骤如下:簇头节点到基站的距离记为d(i),则簇头i的数据接收覆盖半径R(i)为式(5):式中:dmax和dmin分别表示簇头节点到基站最大和最小的信息传输距离,R0为预先定义的最大覆盖半径,c为0到1之间的常数,由式(5)可知,簇头的覆盖范围在(1-c)R0到R0之间变化;节点i当选为簇头的概率为式(6):担任簇头的节点会广播自身ID、覆盖半径以及自身的剩余能量,在此同时宣布自己成为簇头。步骤(4)中倾向度计算方法:倾向度的计算公式如下(7):式中,Lstr(i)为节点i到基站的直线距离,LtoBS(i)为节点i通过簇头中继到达基站的距离,e为0到1之间的常数。本专利技术的有益效果:与现有技术相比,本专利技术通过改变簇的范围、改进成簇机制和根据数据传输的距离以及能量因素共同确定节点的入簇机制,优化了簇头的覆盖半径,根据簇头节点的剩余能量和数据传输路径引入了节点入簇的倾向度的概念,改进了普通节点的入簇机制。通过实验仿真与结果分析,LDEEC算法能够很好地均衡节点的能量消耗,延长整个网络的生命周期。附图说明图1是本专利技术信息传送模型;图2是各节点分布图;图3是本专利技术LDEEC算法流程图;图4是100m×100m环境下网络生命周期曲线;图5是数据传输对比曲线;图6是能量消耗对比曲线;图7是能量方差对比曲线;图8是网生命期在100m×100m环境下随e的变化曲线;图9是网络生命期在200m×200m环境下随e的变化曲线。具体实施方式以下结合附图和实例详细描述本专利技术的具体实施方式,但本专利技术不受所述具体实施例所限。实施例1:如图1-图9所示,一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法,该方法包括以下步骤:(1)节点随机部署;(2)根据阈值判断节点能否成为簇头;(3)步骤(2)中节点若不能成为簇头,判断该节点是否被多个簇头节点覆盖;(4)步骤(3)中节点若多个簇头节点被覆盖,则对该节点进行倾向度计算;(5)将步骤(4)中倾向度最高的簇头节点加入进行信息传送。步骤(2)中判断节点成为簇头的方法如下:无线传感器网络能耗模型:采用如图1所示的简化无线通信能耗模型。在此模型中,无线通信模块发送数据能量消耗主要是发送和功率放大电路,接收数据的能量消耗主要在接收电路。无线信号的能量衰减取决于发送端和接收端的距离d。当传输的距离小于阈值dcrossover时,采用Friss自由空间模型(FrissFreeSpaceModel);当传输的距离大于阈值dcrossover时,采用双径传播模型(Two-rayGroundPropagationModel),在保证合理信噪比(SNR)的情况下,各节点之间发送信息和接受信息的消耗为:ERx(k)=Eelec×k(2)式中,Eelec(nJ/bit)为射频能量损耗,即发送或者接受1bit信息电路消耗的能量,Efs(pJ/bit/m2)和Emp(pJ/bit/m4)为不同信道传播模型下的功率放大电路能耗系数。没有考虑到各节点剩余能量的问题,让剩余能量较高的节点担任簇头节点,均衡节点负载,从而达到延长网络的生命周期的目的。在无线传感器网络中,每个节点的剩余能量不同,节点担任簇头节点的概率如式(3)所示:式中,popt为初始设置的簇头节点与普通节点数量的比值,Er本文档来自技高网
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一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法

【技术保护点】
1.一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:(1)节点随机部署;(2)根据阈值判断节点能否成为簇头;(3)步骤(2)中节点若不能成为簇头,判断该节点是否被多个簇头节点覆盖;(4)步骤(3)中节点若多个簇头节点被覆盖,则对该节点进行倾向度计算;(5)将步骤(4)中倾向度最高的簇头节点加入进行信息传送。

【技术特征摘要】
1.一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:(1)节点随机部署;(2)根据阈值判断节点能否成为簇头;(3)步骤(2)中节点若不能成为簇头,判断该节点是否被多个簇头节点覆盖;(4)步骤(3)中节点若多个簇头节点被覆盖,则对该节点进行倾向度计算;(5)将步骤(4)中倾向度最高的簇头节点加入进行信息传送。2.根据权利要求1所述的一种分布式高能效的WSN分簇路由优化方法,其特征在于:步骤(2)中判断节点成为簇头的方法如下:在无线传感器网络中,每个节点的剩余能量不同,节点担任簇头节点的概率如式(3)所示:式中,popt为初始设置的簇头节点与普通节点数量的比值,Er(i)为节点i剩余的能量值,为r轮过后网络所有节点整体的平均剩余能量值,当选取簇头时,每个节点都会产生一个0至1之间的数值,若某节点的这个数值小于设定的阈值Ti,则此节点担任簇头,Ti的计算公式为式(4):其中,G为最近1/pi轮中没有担任过簇头节点的集合,r表示当前循环进行的轮数,i表示第...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵子豪王红蕾
申请(专利权)人:贵州大学
类型:发明
国别省市:贵州,52

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