[发明专利]一种基于LEACH的无线传感器网络低功耗路由方法

说明书

本发明公开了一种基于LEACH的无线传感器网络低功耗路由方法，包括两部分：基于模糊逻辑和改进阈值函数的簇头选举算法，自适应地选择最佳簇头节点；基于改进蚁群系统的单跳和多跳混合路由协议，设置最佳单跳距离和多跳距离，簇头到基站间信息传输方式根据距离因素选择簇间单跳或多跳路由机制，确定簇头到基站的最优路由路径。通过本发明的方法实现合理的分簇，延长网络运行周期；提升整个网络的能量利用效率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于LEACH的无线传感器网络低功耗路由方法。

背景技术

在无线传感器网络监测区域中，无线传感器节点间采用无线电进行数据传输，环境信息被无线传感器实时感知，利用人工智能等技术对数据进行处理，从而让智慧化判别成为可能。但是传感器节点自身能量有限，部署在野外环境的节点无法通过电网系统或者更换电池的方式得到外部持续有效的电能补给。监测区域内的无线传感器节点初始能量有限且工作阶段得不到补充，高效地利用传感器节点能量，提高网络网络负载平衡度，是无线传感器网络路由协议重点研究的内容之一。

在无线传感器网络路由协议中，LEACH协议是一种经典的层次式路由协议。在该协议的每个运行周期内，网络内节点随机成为簇头，以保证网络内节点能量消耗更加均匀，避免节点过早失效，提高网络生存周期。但LEACH协议依然存在一些短板，该协议以随机方式挑选簇头，忽视簇头邻居节点密度和簇头与基站之间的距离等因素，很容易造成簇头的聚集和分布不均匀。另外，如果剩余能量较少的节点成为簇头，那么会加快该节点的失效，缩短整个无线传感器网络的运行周期。

此外，在LEACH协议中，簇头直接将融合后的数据发送给基站，当簇头与基站之间较远时，远距离的单跳通信会加剧簇头节点能量的损耗程度，从而造成簇头节点提前失效，规模较大的网络无法使用单跳的通信方式。使用多跳通信方式的路由协议，簇头之间构建多路径的数据转发链路，将采集数据发送给基站。簇间进行多跳的数据传输，距离基站近的簇头，中继的数据量大，通信能耗高，这些距离基站较近的簇头将过早把能量消耗殆尽，在基站附近形成“热区”现象。

因此，需要综合多种因素选择簇头，实现合理的分簇，延长网络运行周期；找到簇头与基站之间能量最优多跳路由路径。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于LEACH的无线传感器网络低功耗路由方法，针对LEACH路由协议中选择簇头不合理问题，本发明提出了基于模糊逻辑和改进阈值函数的簇头选举算法，自适应地选择最佳簇头节点，从而提高簇头分布的合理性；针对LEACH路由协议中单跳通信方式节点能量利用效率低和多跳通信方式存在“热区”现象，本发明提出了基于改进蚁群系统的单跳和多跳混合路由协议，提升整个网络的能量利用效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于LEACH的无线传感器网络低功耗路由方法，包括两部分：

一、基于模糊逻辑和改进阈值函数的簇头选举算法，自适应地选择最佳簇头节点：引入节点自身剩余能量和节点间距离参数对阈值函数T(n)进行优化；经过模糊逻辑计算，得到节点成为簇头的chance值，chance值替代节点的随机值；如果chance值小于改进的阈值函数T(n)，该节点成为簇头；

二、基于改进蚁群系统的单跳和多跳混合路由协议，设置最佳单跳距离和多跳距离，簇头到基站间信息传输方式根据距离因素选择簇间单跳或多跳路由机制，确定簇头到基站的最优路由路径。

进一步的，第一部分中，改进的阈值函数T(n)如式(1)所示：