[发明专利]基于位置和能量相互关系的LEACH协议簇头选择方法

权利要求书

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；

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，

E_cluster＝e_Tx+e_Rx+e_Da，

其中，e_Tx表示簇头发送数据所消耗的能量，e_Rx表示簇头从普通节点接收数据所消耗的能量，e_Da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，e_Tx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e_Rx的计算方法为，

簇头数据融合能量e_Da的计算方法为，

其中，E_DA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，

E_all＝k·E_cluster+(n-k)·E_normal，

E_all的最小值k为，

B、建立簇群中的层次区域模型；

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，d_i表示从节点i到汇聚节点的距离，d_min表示蔟中节点到汇聚节点的最小距离，d_max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远近，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；

C、设定能量阈值，根据簇内能量对比对簇头进行选择；

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，E_all(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；

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；

步骤D中，模型发射部分的总能耗的计算方法为，

其中，E_Tx(ij)表示从节点i到节点j传输过程中的总能量消耗，E_Tx-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；E_Tx-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，E_elec是接收或发送单位数据包所消耗的能量；ε_fs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；ε_amp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，

d_ij表示节点i到节点j的距离；d_ij的计算方法为，

节点接收数据的能耗计算方法为，

E_Rx＝m·E_elec；

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，