[发明专利]一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法

说明书

本发明公开了一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法，该算法在选举簇头时同时考虑分簇负载分布情况和节点剩余能量两个优化目标，通过改进选举簇头时的阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围，以缓解簇头能量消耗不均衡的问题；同时通过控制不同位置簇头的覆盖范围，考虑距离权值和剩余能量权值，使得簇头的成员节点分布较为均匀，以提高节点能量效率。本发明提出的算法具有较高的能量利用率，很好地均衡了网络中节点的能量消耗，簇头分布和数量能更加稳定，可以提高数据传量、延长网络生命周期，更好地满足无线传感器网络在周期性监测环境中对网络生命周期的要求。

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络能量均衡路由优化方法，尤其涉及一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法。

背景技术

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)作为物联网的一个重要分支，其作用是在所监测环境中感知采集数据，相邻节点实时地感知同一对象信息，然后将其融合、压缩后通过无线自组多跳协议发送给基站。WSN分簇路由具有层次清晰、扩展性强、易实现相邻数据融合等优点，非常适合工业监测等应用领域。

分簇路由算法包含簇头的选举、簇头与基站之间的通信，可采用单跳和多跳两种通信方式。W.Heinzelman等人提出的LEACH(Low-energy Adaptive ClusteringHierarchy)算法是一种自组织、自适应的完全分布式分簇路由算法。为了延长第一个传感器节点的失效时间，LEACH算法利用随机性轮换簇头，从而达到平衡网络中节点能量负载的目的。成法等人针对热区问题，提出基于非均匀分簇的多跳路由算法，靠近基站的簇的规模小于远离基站的簇，因此靠近基站的簇头可以为簇间的数据转发预留能量，达到均衡簇头能量消耗的目的。吕涛等人针对LEACH算法存在极大簇和极小簇的情况，提出通过控制簇成员数和合并极小簇的方法使WSN中的各个分簇能量平衡；蒋畅江等人针对多跳方式的分簇网络中热区的问题，提出了一种高效的能量均衡、非均匀分簇和簇间多跳路由有机结合的分布式路由算法；HuiLin等人针对集成的拓扑结构和分簇路由问题，提出了一个混和整数线性规划模型，以确定最佳簇头位置；孙彦清等人针对节点负载不均而形成的热区问题，提出了一种基于动态分区负载均衡的分簇路由算法；苏金树等人针对簇间负载的不均衡性，提出了一个负载均衡感知的无线传感器网络容错分簇算法；胡峰松等人针对LEACH中多个簇头与基站远距离通信能量消耗过多的问题，考虑节点的能量和位置因素，以优化簇的结构；Aimin Wang等人在LEACH的簇头选举阈值上引入了能量信息，采用滑动窗口机制，可根据动态节点数目调整簇头数。

由于簇头既要管理簇内通信又要进行簇间通信，所以簇头的能耗将比簇内成员节点多，从而导致节点能量不均衡。如果簇头过早失效，将导致该簇在本轮失效，形成路由空洞，进而缩短了网络生命周期。以上分簇路由算法虽然在一定程度上是能量高效的，但是节点能量不均衡的问题尚未解决，虽然分簇路由算法可以优化数据的传输量，减少网络能耗，但是簇头负载的不均衡性会严重影响路由算法的性能。因此，选举簇头时如何考虑节点的剩余能量和平衡每个簇头的负载是至关重要的。

发明内容

发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法(CHEEB)，该算法在选举簇头时同时考虑分簇负载分布情况和节点剩余能量两个优化目标，通过改进选举簇头时的阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围，以缓解簇头能量消耗不均衡的问题；同时通过控制不同位置簇头的覆盖范围，考虑距离权值和剩余能量权值，使得簇头的成员节点分布较为均匀，以提高节点能量效率。