基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法技术

本发明专利技术公开了一种基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法，包括以下步骤，A、计算簇头数量k的最佳值，通过K‑Means将整个无线传感器网络划分为k个簇群；B、建立簇群中的层次区域模型；C、设定能量阈值，根据簇内能量对比对簇头进行选择；D、生成能量消耗模型，选择将靠近汇聚节点的普通节点直接将数据传送给汇聚节点。本发明专利技术能够解决现有技术的不足，有效降低网络的总能耗，提高网络的稳定运行时间，延长整个无线传感器网络的寿命。

【技术实现步骤摘要】
基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法
本专利技术属于无线传感器网络通讯
，具体是涉及到一种基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法。
技术介绍
无线传感器网络是在微机电系统(MEMS)、片上系统(SoC)、无线通信和低功耗嵌入式技术的基础上发展起来的。随着物联网技术的高速发展，无线传感器网络已广泛应用于军事、工业、农业、林业等领域。无线传感器网络是由具有数据存储和数据传输能力的多个传感器节点组成的网络。这些传感器节点通常随机分布在整个数据采集传输区域。当一个节点传输数据包时，它需要消耗节点能量。由于这些网络中节点的能量供应非常有限，如何确保每个节点可以平衡整个网络中负载的全局能耗，从而延长网络的整体生命周期，在当前仍然是一个热门的技术问题。无线传感器网络的路由协议主要分为两类：平面路由协议和分层路由协议。传统的低能量自适应聚类层次协议(LEACH)是应用最广泛的经典聚类协议之一。它将整个网络划分为多个不同的簇，在每一轮随机选举后，在每个簇中选择一个簇头节点，每个簇中普通节点向簇头节点传输数据，然后，簇头节点将数据融合传输给汇聚节点，通过这种方法节省了整个网络的能耗。LEACH协议在整个无线传感器网络中起着重要的作用，以节约能耗。但是，LEACH协议仍然存在一些不足：(1)簇头选择不合理。由于所有的簇头都是随机选择产生的，没有考虑簇头节点本身位置和簇头节点自身的剩余能量，簇头节点可能会离汇聚节点太远从而导致节点的过早死亡。(2)普通节点的通信模式单一。>作为集群中的汇聚节点，它只能与簇头节点通信。如果普通节点更靠近汇聚节点，则它应与汇聚节点直接通信，以减少不必要的能耗成本。(3)p值选择困难在协议中，P值通常由人工定义。但是在实际应用中，簇群的数量将直接影响整个网络的性能和整个网络的生命周期。当簇头过多时，网络的总能耗会增加，原有的聚类将会没有意义。如果簇头太少，则意味着每个簇群中的汇聚节点过多，就很容易导致网络拥塞和数据传输延迟。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法，能够解决现有技术的不足，有效降低网络的总能耗，提高网络的稳定运行时间，延长整个无线传感器网络的寿命。本专利技术的内容包括以下步骤，A、计算簇头数量k的最佳值，通过K-Means将整个无线传感器网络划分为k个簇群；B、建立簇群中的层次区域模型；C、设定能量阈值，根据簇内能量对比对簇头进行选择；D、生成能量消耗模型，选择将靠近汇聚节点的普通节点直接将数据传送给汇聚节点。作为优选，步骤A中，簇头数量k最佳值的计算方法为，随机部署n个通信节点，其中包括k个簇头节点；基站位于通信区域的中心；每个周期中普通节点发送的数据包大小为m比特，簇头节点的总能耗为，Ecluster＝eTx+eRx+eDa，其中，eTx表示簇头发送数据所消耗的能量，eRx表示簇头从普通节点接收数据所消耗的能量，eDa为数据融合时簇头消耗的能量；由于基站位于区域中心，通信距离基本小于d0，eTx的计算基于自由空间模型，其中，表示簇头节点到基站的平均距离，设节点时随机分布的，则簇头节点从簇内普通节点接收数据所使用的能量eRx的计算方法为，簇头数据融合能量eDa的计算方法为，其中，EDA表示簇头节点融合单位数据所消耗的能量，除簇头节点外，普通节点的数据总能耗计算方法为，其中，是普通节点到簇头节点的平均距离，表示为，整个无线传感器网络各节点的总能耗为，Eall＝k·Ecluster+(n-k)·Enormal，Eall的最小值k为，作为优选，步骤B中，建立簇群中的层次区域模型的方法为，集群中的节点根据节点与基站之间的距离分为两层，具体的分层规则如下，其中，di表示从节点i到汇聚节点的距离,dmin表示蔟中节点到汇聚节点的最小距离，dmax表示蔟中节点到汇聚节点的最大距离，τ是控制系数，由节点的数量和簇群的大小决定；根据簇群中的层次区域模型，簇头的选择按照距离因此的优先级从高到低排列：最近的节点，第一层区域节点和第二层区域节点。作为优选，步骤C中，首次选择簇头时，选取每个簇群中的最近节点作为簇头；当最近节点的能量小于设定的阈值其降级为普通节点；在第一层中随机选择能量大于阈值的节点以升级为簇头节点；如果第一层中没有合格的节点，则在第二层中选择能量大于阈值的节点，升级到簇头节点，阈值的计算方法为，其中，Eall(i)表示第i个集群中的总能量，n(i)表示第i个集群中的节点数，dead(i)表示第i个集群中的死节点数，δ是调节因子。作为优选，步骤D中，模型发射部分的总能耗的计算方法为，其中，ETx(ij)表示从节点i到节点j传输过程中的总能量消耗，ETx-elec(ij)表示当节点i被发送到节点j时，传输模块的能量消耗；ETx-amp(ij)为节点i发送到节点j时，放大器模块消耗的能量，m为发送数据包的大小和长度，Eelec是接收或发送单位数据包所消耗的能量。εfs是自由空间信道模型中的能量消耗参数，单位是J·bit-1·m-2。εamp是多径衰落信道模型的能耗参数，单位是J·bit-1·m-2。d0是传输距离的阈值，d0的计算方法为，dij表示节点i到节点j的距离。dij的计算方法为，节点接收数据的能耗计算方法为，ERx＝m·Eelec。作为优选，步骤D中，当一个普通节点比所有簇头节点更靠近汇聚节点时，该类节点将在这一轮选择过程中跳出簇群结构，立即成为与汇聚节点直接通信的特殊节点；当簇头节点和汇聚节点之间的距离大于阈值φ时，将数据从特殊节点直接传输到汇聚节点，能使整个网络的能耗降低，网络的生命周期得到有效利用；阈值φ的计算方法为，本专利技术的有益效果是，本专利技术在选择簇头时考虑了节点的剩余能量和节点的位置，通过计算出簇头个数k的理论最佳值，将整个无线传感器网络划分为k个簇群。同时，将每个簇划分为两个层次。首次选择簇头时，选择每个簇中最近的节点提升到簇头中心。在后续的每一轮簇头选择中，需要根据簇中的层次模型和节点的剩余能量来确定升级到簇头节点的条件。同时，当普通节点比簇头节点更靠近汇聚节点时，普通节点在本轮跳出簇结构，成为与汇聚节点直接通信的特殊节点。与传统的LEACH协议相比，本专利技术能够在很大程度上延长了整个网络的寿命。附图说明图1为使用传统LEACH协议进行仿真的分簇图。图2为使用本申请改进的LEACH协议进行仿真的分簇图。图3为使用传统LEACH协议经过1000轮后存活的节点和已失效的节点的示意图。图4为使用本申请改进的LEACH协议经过1000轮后存活的节点和已失效的节点的示意图。图5为三种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法，其特征在于包括以下步骤，/nA、计算簇头数量k的最佳值，通过K-Means将整个无线传感器网络划分为k个簇群；/nB、建立簇群中的层次区域模型；/nC、设定能量阈值，根据簇内能量对比对簇头进行选择；/nD、生成能量消耗模型，选择将靠近汇聚节点的普通节点直接将数据传送给汇聚节点。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法，其特征在于包括以下步骤，
A、计算簇头数量k的最佳值，通过K-Means将整个无线传感器网络划分为k个簇群；
B、建立簇群中的层次区域模型；
C、设定能量阈值，根据簇内能量对比对簇头进行选择；
D、生成能量消耗模型，选择将靠近汇聚节点的普通节点直接将数据传送给汇聚节点。


2.如权利要求1所述的基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法，其特征在于：步骤A中，簇头数量k最佳值的计算方法为，
随机部署n个通信节点，其中包括k个簇头节点；基站位于通信区域的中心；每个周期中普通节点发送的数据包大小为m比特，簇头节点的总能耗为，
Ecluster＝eTx+eRx+eDa，
其中，eTx表示簇头发送数据所消耗的能量，eRx表示簇头从普通节点接收数据所消耗的能量，eDa为数据融合时簇头消耗的能量；
由于基站位于区域中心，通信距离基本小于d0，eTx的计算基于自由空间模型，



其中，表示簇头节点到基站的平均距离，设节点时随机分布的，则



簇头节点从簇内普通节点接收数据所使用的能量eRx的计算方法为，



簇头数据融合能量eDa的计算方法为，



其中，EDA表示簇头节点融合单位数据所消耗的能量，除簇头节点外，普通节点的数据总能耗计算方法为，



其中，是普通节点到簇头节点的平均距离，表示为，



整个无线传感器网络各节点的总能耗为，
Eall＝k·Ecluster+(n-k)·Enormal，
Eall的最小值k为，





3.如权利要求2所述的基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法，其特征在于：步骤B中，建立簇群中的层次区域模型的方法为，
集群中的节点根据节点与基站之间的距离分为两层，具体的分层规则如下，



其中，di表示从节点i到汇聚节点的距离,dmin表示蔟中节点到汇聚节点的最小距离，dmax表示蔟中节点到汇聚节点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘拥民，刘一鸣，罗皓懿，杨钰津，王靖枫，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43