[发明专利]一种基于能耗的LEACH轮换时间动态优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于能耗的Leach轮换时间的动态优化方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

延长网络的生命周期是一个无线传感网络中重要的问题。很多学者也提出了很多高效节能的协议来延长无线传感网络的生命周期。目前，通过网络分簇来实现能量的均衡以此实现延长网络生命周期是研究的热点方向。LEACH算法是由Heinzelman等人提出的最流行的基于分簇的高效节能的通信协议，协议通过对节点进行分簇并将能量均衡负载到各个簇中来降低网络中总能量的消耗。为了确保能量的均衡消耗，LEACH周期性的在所有节点中随机选择节点来充当簇头。LEACH协议是以“轮”来实现的。每一轮包括：建立阶段和稳定运行阶段。建立阶段要完成簇头节点的选择、簇头节点的广播、非簇头节点的加入的簇形成过程以及簇头节点为簇内成员分配TDMA时隙的TDMA调度过程；在稳定运行阶段，簇头接受来自其成员的消息并将聚合后的数据发送到基站。然而，LEACH的许多参数可以影响协议的性能，这些参数都有待优化，如，阀值，簇的数目等等。因此，许多学者都致力于优化LEACH的参数来提高LEACH的性能。尽管很多人对LEACH做了不同的优化，但是LEACH每一轮持续的时间却很少有人研究。每一轮持续时间的长短对于网络的整个性能是很关键的。如果时间太长，那么簇头就长时间的处于活跃状态，簇头节点的能量就会很快的消耗完毕；如果时间太短，簇头的选择过于频繁导致过多的能量浪费在簇建立阶段，因为这一阶段是不会发送数据的。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术存在的缺陷，提出了一种基于能耗的Leach轮换时间动态优化方法。

本发明的思想是根据簇内节点数量和能量消耗的不同，动态的调整每轮的持续时间，以此来优化LEACH的选簇周期、平衡节点间的能量消耗、延长网络的生存周期。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于能耗的LEACH轮换时间动态优化方法，包括以下步骤：

步骤一、计算LEACH协议中节点每轮能量消耗，包括以下内容：

第1.1步：根据下式计算每轮中簇头结点的能量消耗：

E_{i_CH/round}＝E_{i_CH/frame}×N_frames/round；(2)

其中E_{i_CH/frame}表示簇头节点的每帧的能量消耗，E_{i_CH/round}表示簇头节点每轮的能量消耗，n_i表示簇i包含的节点数量，l表示每个信息包中所含的比特数，E_elec表示传播一比特数据所消耗能量，E_DA表示聚合一比特数据所需能量，d_{i_toBS}代表簇头节点i到基站的距离，ε_amp表示当d≥d₀时射频放大器传输1bit单位平方米的平方所耗的能量，d₀为预先假定的阀值距离，N_frames/round表示每轮传输数据帧的数量；

第1.2步：根据下式计算每轮中非簇头结点的能量消耗：

E_{k_non-CH/round}＝E_{k_non-CH/frame}×N_frames/round；(4)

其中E_{k_non-CH/frame}表示簇内成员节点的每帧的能量消耗，d_{k_toCH}代表簇内成员节点k到簇头结点的距离，ε_fs表示当d＜d₀时发射放大器传输1bit单位平方米所耗的能量，E_{k_non-CH/round}表示簇内成员节点每轮的能量消耗；

步骤二、计算LEACH协议每轮持续时间，包括以下内容：

第2.1步：根据下式计算每轮中簇i消耗的总能量：

其中，E_{i_total}表示簇i每轮的能量消耗；

第2.2步：根据下式计算每轮中簇i传输的数据量：

第2.3步：根据下式计算每一轮的持续时间：

其中r_b为比特率；

步骤三、动态调整各簇每轮的持续时间，包括以下内容：