[发明专利]一种能量异构无线传感网络分簇协议的实现方法

说明书

本发明提出了一种能量异构无线传感网络分簇协议的实现方法，包括如下步骤：首先建立系统能量消耗模型，在考虑能耗最小的情况下确定系统最优簇数，从而确定每个簇中应有的节点数量。接下来在保证簇头覆盖率最大的情况下选择簇头节点，并按一定的比例替换掉本轮通讯中能耗较大的簇头节点，为下一轮通讯做好准备。每个簇的剩余成员节点以就近成簇的方式加入簇，首先将自己的数据发送给簇头节点，簇头节点融合各成员节点数据后将其发送到基站，从而完成一轮通信。本发明提出的算法在能量异构网络应用中的网络寿命有明显的优势，在簇头选择过程中按一定比例替换掉本轮能量消耗较大的簇头，有利于降低网络整体能量消耗，均衡网络负载，延长网络寿命。

【技术领域】

本发明涉及通信技术的技术领域，特别是一种能量异构无线传感网络分簇协议的实现方法。

【背景技术】

无线传感网络需要大量节点协同完成测量任务，同时也面临着复杂多变的工作环境。根据不同环境合理选择布置节点并进行参数优化，有利于提高无线传感网络的工作效率、降低花费。近年来，研究人员尝试从不同角度解决无线传感网络的寿命优化问题，提出了很多有效的方法。层次化机制可对数据延迟进行优化以达到增加网络可升级性的目的，同时数据通过层次化进行整合，可降低数据冗余度和减少通信负荷，达到优化网络寿命的目的。层次路由协议其全称为低功耗自适应集簇分层型协议，该算法的基本思想是：以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。LEACH算法分为三个部分：①簇头选举；②簇成员加入成簇；③簇的路由。选举时，每个节点产生一个介于0和1之间的随机数，如果这个数小于阈值T(n)，则该节点成为簇头。阈值T(n)的计算方法为

其中，p表示网络中的簇头比例，r表示当前的运行轮数，集合G表示前1/p轮没有当选簇头的节点集合。从式(1)可知，所有节点均有机会被选为簇头，系统中所有节点的能量消耗达到平衡，从而延长了系统生命周期。但LEACH算法存在如下不足：①LEACH算法的簇头选举是完全的随机，有可能造成簇头在监测区域分布不均，使得全局能耗分布不均，特别是离基站距离较远的节点更容易过早死亡；②扩展性差，由于簇头与基站采取的是单跳的通信方式，使其不适合大规模网络应用；③适应性差，无线传感器网络的应用场合多样，每种应用的要求可能不完全相同，LEACH算法采用全网统一的采样、传输周期使其不能适用于异构网络。

针对LEACH算法的不足，大量研究也对其进行了一些改进，例如

1.采用分布式算法，作为LEACH分簇算法的扩展进行了仿真实验。虽然网络寿命较LEACH网络有所延长，但该算法只适用于单位圆和非单位圆问题，有其局限性；

2.采用能量自适应协议NEAP(novel energy adaptive protocol)。与LEACH协议不同，NEAP的阈值是节点剩余能量的函数，如式(2)所示

其中：E_cur、E_ini分别表示节点的当前能量和初始能量；r_s表示节点没有被选为簇头的连续轮数。与LEACH协议相比，NEAP协议在选择簇头方面有更好的性能，但是并未就每轮簇头选择时的能量优化做讨论；

3.采用分布式能量有效簇DEEC(distributed energy-efficient clustering)协议。DEEC协议采用了两级能量结构的异构网络模型，每个节点依据自己的剩余能量选择自己的簇头。DEEC协议仅从自己的剩余能量选择簇头，未考虑系统能量均衡的问题。或是一种DEEC的改进算法DDEEC(developed DEEC)协议。该协议动态改变选择簇头的标准，进而平衡节点能量消耗；又或是记为SEP(stable election protocol)协议的稳定选举协议。SEP的基本思想是依据节点初始能量不同，将其设为普通节点和高级节点两类。高级节点比普通节点拥有更高的初始能量，被选为簇头的概率更高，但SEP协议并没有依据节点的能量水平调整簇头门限值。