[发明专利]基于树的无线传感器网络能耗均衡的改进LEACH方法

权利要求书

1.基于树的无线传感器网络能耗均衡的改进LEACH方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：参数设置，具体的：

设定无线传感器网络监测区域为M×M的正方形区域，基站位于区域中心并且位置固定不动；无线传感器网络中随机部署m个传感器，构成传感器集合并记为S＝{s₁,s₂,…,s_i}， i∈m；传感器部署之后位置不再发生改变，每个传感器s_i的初始能量相同为E_o；基于LEACH算法的路由协议最大运行轮数为r_max；

步骤2：计算簇头选择因子，具体的：

计算每个传感器节点到基站的距离集合D_sb和剩余能量集合E_r，其中D_sb＝{d_sb(1),d_sb(2),…,d_sb(i)}，E_r＝{E_r(1),E_r(2),…E_r(i)}；根据每个传感器节点到基站的距离集合D_sb，计算传感器节点到基站的最大距离d_sbmax和传感器节点到基站的最小距离d_sbmin；将传感器节点到基站的距离集合D_sb归一化为传感器节点到基站的距离因子集合W_sb，W_sb＝{w_sb(1),w_sb(2),…,w_sb(i)}；通过传感器节点的初始能量E_o，把传感器节点的剩余能量集合E_r归一化为剩余能量因子集合E_r，E_f＝{E_f(1),E_f(2),…,E_f(i)}；

所述每个传感器节点s_i到基站的距离d_sb(i)采用如下方法计算：

其中，基站位置坐标为(x_b,y_b)，传感器节点s_i的坐标为(x(i),y(i))；

所述传感器节点s_i到基站的距离归一化后的距离因子ω_sb(i)的计算方法为：

其中，ω_sb(i)为传感器节点s_i与基站的距离归一化后的距离因子；

所述传感器节点s_i归一化后的剩余能量因子E_f(i)的计算方法为：

其中，E_f(i)为传感器节点s_i归一化后的剩余能量因子，E_r(i)为传感器节点s_i当前剩余能量，m表示无线传感器网络中传感器节点个数；

步骤3：构建簇头选择阈值，具体的：

根据步骤2中得到的传感器节点到基站的距离因子集合W_sb、剩余能量因子集合E_f，以及传感器节点到基站的最大距离d_sbmax和传感器节点到基站的最小距离d_sbmin，结合最优簇头选择概率p_opt和传感器节点初始能量E_o，计算得出簇头选择阈值T(i)；

所述计算得出簇头选择阈值T(i)的方法为：

其中，α为阈值的加权系数，p_b为传感器节点成为簇头的基准概率，ω_sb(i)为传感器节点s_i与基站的距离归一化后的距离因子，E_f(i)为传感器节点s_i归一化后的剩余能量因子；

步骤4：选择簇头，具体的：

根据步骤3中得到的簇头选择阈值T(i)，对每个传感器节点进行簇头选择，即对每个传感器节点s_i生成一个0～1之间的随机数T_rand(i)，并将随机数T_rand(i)与其对应的阈值T(i)进行比较，若T_rand(i)≤T(i),i∈m，则选择对应的传感器节点为簇头节点，否选择对应的传感器节点为非簇头节点；将簇头节点构成的集合记为C，非簇头节点构成的集合记为N；

步骤5：簇的形成，具体的：

非簇头节点计算自身到每个簇头节点的距离d_sc(i)，得到与离自身最近的簇头之间的距离d_scmin，比较d_scmin与自身到基站的距离d_sb(i)的大小，若d_scmin＜d_sb(i)，则该非簇头节点加入离自己最近的簇头节点所在的簇，否则，该非簇头节点直接与基站进行通信，不加入簇；

步骤6：簇的区域划分，具体的：

根据步骤5形成的簇，对每个簇进行簇内工作节点的选择；具体的，首先对簇进行区域划分，设该簇中簇头节点与非簇头节点的最远距离为r，则该簇的覆盖范围为以该簇中簇头节点为圆心、r为半径的圆，定义距离簇头节点r/2范围内的区域为近距离区域Z₁，距离簇头节点r/2～r范围内的区域为远距离区域Z₂，然后由两条平分簇区域的线将整个簇划分为8个部分；

步骤7：根据簇的划分区域选择工作节点，具体的：

首先计算簇内所有传感器节点的平均剩余能量E_avg，然后在划分好的每个区域中，比较区域中每个传感器节点的剩余能量E_r(i)与簇内所有传感器节点的平均剩余能量E_avg的大小，若E_r(i)≥E_avg，则定义对应的传感器节点为该区域工作节点，否则对应的传感器节点进入休眠状态；若区域中没有符合条件的传感器节点，则选择其中剩余能量最大的传感器节点作为工作节点；

步骤8：簇内每个区域内的工作节点将监测数据发送给所在簇的簇头节点，簇头节点接收多个工作节点传输的数据并对这些数据进行融合处理；

步骤9：构建簇头传输路由树，具体的：

簇头节点在把数据发送给基站时，可以通过无线传感器网络中其他簇头节点转发，最终到达基站，即形成一棵以基站为根节点的路由树；

路由树构建过程如下：

步骤9.1：将无线传感器网络中各簇头节点按照与基站的距离由近及远进行排序，构成由近及远排序的簇头集合C'＝{c₁,c₂,…,c_j}；

步骤9.2：将距离基站最近的簇头节点直接连接到基站，以基站为该簇头节点的父节点，形成第一个分支；

步骤9.3：按照各簇头节点与基站的距离由近及远排序，依次对下一个次近的簇头节点选择父节点并连接到树上，除了距离基站最近的簇头节点，无线传感器网络中其他簇头节点的可选父节点属于比自己距离基站更近的其他簇头节点的集合H；具体的，次近的簇头节点根据下一跳能量因子EF(i,j)和下一跳路径能耗因子REF(i,j)，对集合H中的每个可选父节点计算路径权重W(i,j)，其中，i为当前选择父节点的次近的簇头节点，j为可选父节点，j∈H；

步骤9.4：当前选择父节点的次近的簇头节点选择一个路径权重W(i,j)最大的可选父节点作为自己的父节点，并计算连接到该父节点后对此条路径造成的额外能耗E_p，然后计算当前选择父节点的次近的簇头节点直接发送数据到基站造成的能耗E_b，若E_p＜E_b，则该选择父节点的次近的簇头节点连接到其父节点，否则该选择父节点的次近的簇头节点直接连接到基站；

步骤9.5：重复步骤9.3和步骤9.4，直到无线传感器网络中所有簇头节点都连接到路由树上，即路由树构造完成；

步骤10：无线传感器网络中每个簇头节点将数据发送给自己的父节点，最终通过路由树将数据传输到基站；

步骤11：重复步骤2至步骤10，直到达到预设的运行轮数r＝r_max或全部节点能量耗尽。