一种降低功耗的LEACH协议改进方法技术

本发明专利技术提供了一种降低功耗的LEACH协议改进方法，其基本系统包括普通节点、簇头节点、转发节点、基站，具体循环工作步骤为确定网络拓扑→初始化→簇头节点的选取→簇的形成→数据传输→簇头节点的选取→簇的形成。本发明专利技术针对LEACH协议的不足，从簇头选取、簇的形成、数据传输方式三方面做出改进。簇头选取中考虑节点的能量、到基站的距离、密度三个因素的综合影响，均衡簇头的负担，使选出的簇头节点在网络中的分布和能耗均衡。簇的形成中，采取网格分簇，节点自己计算所在网格的二维值，保障节点能源的有效性。数据传输方式中，根据簇头节点和基站的距离采用单多跳结合的路由方式，以能量利用率最高为目的，降低网络节点功耗。

An improved method of LEACH protocol for reducing power consumption

The invention provides a method for reducing power consumption of the LEACH protocol, the basic system including common node, cluster head node, the forwarding node, base station, specific work cycle steps to identify network topology, initialization, cluster head node selection, cluster formation and data transmission to the cluster head node selection and cluster formation. The invention aims at the deficiency of the LEACH protocol, and improves from three aspects of cluster head selection, cluster formation and data transmission mode. In the cluster head selection, the influence of three factors, including the energy of nodes and the distance and density of the base station, is considered to balance the burden of cluster heads, so that the distribution and energy consumption of the selected cluster heads are balanced in the network. In the formation of the cluster, the mesh is divided into clusters, and the nodes themselves calculate the two-dimensional values of the grid to ensure the effectiveness of the node energy. According to the distance between cluster head node and base station, a single hop hop routing method is adopted to reduce the power consumption of the network with the highest energy efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种降低功耗的LEACH协议改进方法
本专利技术涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种降低功耗的LEACH协议改进方法。
技术介绍
无线传感器网络是一种新兴的网络模型，它由大量具有通信和计算能力的微型传感器节点密集布设在无人值守的监控区域构成。这些传感器节点采用独立的电池供电，并以自组织的形式组网，通过节点之间协调运作，采集网络覆盖区域内被监测对象的信息，及时发送给观察者，完成预期的网络任务。目前国内无线传感器网络多用于区域环境的监测，由于网络节点往往被布置于恶劣的、人类难以到达的环境中，且采用电池供电，当节点的电能耗尽后难以及得到补充和更换，因此节点功耗是制约无线传感器网络应用最为突出的要素。如何降低和均衡节点能耗，保证网络稳定可靠地工作，是需要解决的首要问题。国内外的研究进展表明：路由协议是组网的基础和数据传输的关键，改进适用于无线传感器网络的路由协议可以有效降低节点的能耗，延长网络生命周期，具有很高的研究价值。LEACH协议是由WendiRabinerHeinzelman、AnanthaChandrakasan和HariBalakrishnan三人在2000年Proceedingsofthe33rdHawaiiInternationalConferenceonSystemSciences上的一篇文章Energy-EfficientCommunicationProtocolforWirelessMicrosensorNetworks中首次提出，节点动态聚类的建立带来了显著的节能效果，使系统的生命周期得到延长。但是LEACH协议中，簇头和基站的数据传输是单跳方式，当距离大于传感器通信模块距离阈值，能耗采用多路径衰减模型计算，能耗将陡增，远处簇头易失效过早。并且簇头的产生完全依靠随机数，与节点自身因素无关，导致簇头在网络中分布和能耗不均衡，有的簇头由于簇规模过大、任务过重会而过早失效。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种降低功耗的LEACH协议改进方法，能够有效降低和均衡节点能耗，保证网络稳定可靠地工作。为了达到上述目的，本技术是通过以下技术方案实现的：一种降低功耗的LEACH协议改进方法，包括以下步骤：步骤一，确定网络拓扑：将n个普通传感器节点随机均匀分布在监控区域内，各节点的感知半径相同，覆盖区域是以节点为圆心，R为半径的圆；基站配置于监测区域之外，可以和区域内任意一个传感器节点直接通信，网络拓扑确定完毕；步骤二，网络拓扑确定后进行初始化，监测网络中所有节点的初始能量均为E，基站计算基站到每个普通节点的距离，找到距离最大值和最小值；基站泛洪广播全网信息包，包括最大距离、最小距离以及基站的位置信息，各个节点收到消息后连同自身的位置信息存储起来；步骤三，簇头节点的选取：从节点能量、节点到基站的距离、节点密度三个因子方面综合选簇头，协议根据三个因子区分出三类特殊节点，通过提高特殊节点的当选概率，均衡簇头的负担；三类特殊节点分别为：Ⅰ型高能节点：节点能耗率与网络平均能耗率的商差值小于0；Ⅱ型“热区”节点：节点与基站的距离小于最远节点和基站距离的20%；Ⅲ型密集区域节点：节点通信半径内节点密度超出网络平均节点密度50%；网络中非特殊的节点均为普通节点，阈值公式与LEACH协议相同，表示为：当节点同时满足三类特殊节点中的两类及两类以上，则该节点为交集节点，其阈值公式通过加权方式确定，具体公式如下：其中，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型节点的阀值，、、分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型节点的加权值，且，、、；交集节点中得分最高的为簇头节点；步骤四，簇的形成：采用网格分簇方法，首先协议通过节点位置模糊匹配的方式将网络分成若干个相同大小的网格，矩形网络区域长为，宽为，将长边划分为等份，宽边划分为等份，网络被等分为个矩形网格，为了保证网格内节点可靠通信，、的选值满足约束条件，为节点的通信半径；按照矩阵排列给所有网格分配一个二维值；对于网络中任意两个节点和，坐标分别为、，若，为取整函数，则满足位置匹配条件；所有节点计算自身所属网格的二维值，满足位置匹配条件的节点划分在同一网格，即二维值相同的节点分在同一簇，从而形成簇；步骤五，数据传输：当簇形成后，传感器节点采集数据并进行数据的传输，数据传递方式包括以下过程：首先规定一个距离阈值，当簇头节点与基站的距离小于时，节点采用单跳方式，簇头直接与基站通信，完成数据传输；当簇头节点n和基站间的距离大于时，先完成簇内数据处理，即网格内的簇头接收本簇节点的数据包，若一个网格包含多个簇头，普通节点的数据包发送至距离最近的簇头；簇内数据处理完成后，各个网格中的簇头成为待转发节点，进行簇外数据传输，采用多跳方式，选择合适的转发节点，将数据传送至基站；计数簇头重置时间为20s，20s后处于数据稳定传输阶段的网络重新进入簇头选取阶段，调整轮数值并再次执行步骤（三）~（五），如此循环直至所有节点能量耗尽。本专利技术的进一步改进在于：在所述步骤三簇头节点的选取中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型节点的具体的协议区分条件与各阀值公式如下：（a）当节点能耗率与网络平均能耗率的商差值小于0，满足公式则该节点为Ⅰ型高能节点，其阈值公式为：其中，为网络节点的总数，为所有节点剩余能量的总和，为节点的剩余能量；（b）当节点到基站的距离小于最远节点和基站距离的20%，满足公式则该节点为Ⅱ型“热区”节点，其阈值公式为：其中，为网络节点和基站的最远距离，为节点与基站的距离；（c）当节点通信半径内节点密度超出网络平均节点密度50%，满足公式（3）则该节点为Ⅲ型密集区域节点，其阈值公式为：其中，表示节点通信半径内的存活节点数，表示标准规模簇所含节点数。本专利技术的进一步改进在于：在所述步骤5数据传输过程中，采用多跳方式进行簇外数据传输时选择转发节点的方法为：以簇头节点为圆心，和为外径和内径作圆环，在圆环区域内选择最佳转发节点，其中，为最佳转发距离，、分别为外径和内径的增补量，控制节点搜索面积；若圆环区域内有个候选簇头，首先通过距离条件，筛选出符合距离条件的M个候选簇头，其中，di候选簇头与基站的距离，为待转发节点与基站的距离，为距离衰减因子；再将筛选所得的M个候选簇头按距离和剩余能量排序并计分，将距离从小到大排序并计分为，距离越小分值越高；再将它们的剩余能量按从小到大排序并计分为，剩余能量越大分值越高；然后通过权重计算公式计算总得分，总得分最高的候选簇头当选为转发节点，计算公式为：其中，为距离的权重，为能量的权重，为节点的距离计分，为节点的剩余能量计分；若圆环区域内不含簇头或不含满足距离条件的簇头时，选择圆环中的普通节点作为转发节点；选择方法为首先通过距离条件，筛选出M个节点，其中，di普通节点与基站的距离，为待转发节点与基站的距离，β2为距离衰减因子，；然后比较M个节点的剩余能量，剩余能量最高的节点为转发节点。本专利技术的进一步改进在于：在所述步骤五数据传输过程中，簇内的普通节点按照TDMA时间表将采集的数据传送给簇头，不发送数据时处于休眠状态；簇头对本簇的数据包进行融合和去冗处理后发送给基站或者转发节点；对于单跳方式发送数据包的簇头，为了避免信息碰撞，按照不同的CDMA代码将信息传输给基站。本专利技术具有以下有益效果：1.簇头的选取综合考虑了节点能量、节点到基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低功耗的LEACH协议改进方法，包括以下步骤：步骤一，确定网络拓扑：将n个普通传感器节点随机均匀分布在监控区域内，各节点的感知半径相同，覆盖区域是以节点为圆心，R为半径的圆；基站配置于监测区域之外，可以和区域内任意一个传感器节点直接通信，网络拓扑确定完毕；步骤二，网络拓扑确定后进行初始化，监测网络中所有节点的初始能量均为E，基站计算基站到每个普通节点的距离，找到距离最大值和最小值；基站泛洪广播全网信息包，包括最大距离

【技术特征摘要】
1.一种降低功耗的LEACH协议改进方法，包括以下步骤：步骤一，确定网络拓扑：将n个普通传感器节点随机均匀分布在监控区域内，各节点的感知半径相同，覆盖区域是以节点为圆心，R为半径的圆；基站配置于监测区域之外，可以和区域内任意一个传感器节点直接通信，网络拓扑确定完毕；步骤二，网络拓扑确定后进行初始化，监测网络中所有节点的初始能量均为E，基站计算基站到每个普通节点的距离，找到距离最大值和最小值；基站泛洪广播全网信息包，包括最大距离、最小距离以及基站的位置信息，各个节点收到消息后连同自身的位置信息存储起来；步骤三，簇头节点的选取：从节点能量、节点到基站的距离、节点密度三个因子方面综合选簇头，协议根据三个因子区分出三类特殊节点，通过提高特殊节点的当选概率，均衡簇头的负担；三类特殊节点分别为：Ⅰ型高能节点：节点能耗率与网络平均能耗率的商差值小于0；Ⅱ型“热区”节点：节点与基站的距离小于最远节点和基站距离的20%；Ⅲ型密集区域节点：节点通信半径内节点密度超出网络平均节点密度50%；网络中非特殊的节点均为普通节点，阈值公式与LEACH协议相同，表示为：当节点同时满足三类特殊节点中的两类及两类以上，则该节点为交集节点，其阈值公式通过加权方式确定，具体公式如下：其中，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型节点的阀值，、、分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型节点的加权值，且，、、；交集节点中得分最高的为簇头节点；步骤四，簇的形成：采用网格分簇方法，首先协议通过节点位置模糊匹配的方式将网络分成若干个相同大小的网格，矩形网络区域长为，宽为，将长边划分为等份，宽边划分为等份，网络被等分为个矩形网格，为了保证网格内节点可靠通信，、的选值满足约束条件，为节点的通信半径；按照矩阵排列给所有网格分配一个二维值；对于网络中任意两个节点和，坐标分别为、，若，为取整函数，则满足位置匹配条件；所有节点计算自身所属网格的二维值，满足位置匹配条件的节点划分在同一网格，即二维值相同的节点分在同一簇，从而形成簇；步骤五，数据传输：当簇形成后，传感器节点采集数据并进行数据的传输，数据传递方式包括以下过程：首先规定一个距离阈值，当簇头节点与基站的距离小于时，节点采用单跳方式，簇头直接与基站通信，完成数据传输；当簇头节点n和基站间的距离大于时，先完成簇内数据处理，即网格内的簇头接收本簇节点的数据包，若一个网格包含多个簇头，普通节点的数据包发送至距离最近的簇头；簇内数据处理完成后，各个网格中的簇头成为待转发节点，进行簇外数据传输，采用多跳方式，选择合适的转发节点，将数据传送至基站；到达计数簇头...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈孟元，蒋慧，周萌，陈跃东，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34