[发明专利]基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法

摘要

本发明公开了一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，属于无线传感器网络技术领域，旨在均衡传感器节点的能量消耗，延长无线传感器网络的生命周期。本发明针对LEACH协议的不足，从簇头选取、数据传输两方面对LEACH协议做出改进。每一轮簇头选举中，将节点根据剩余能量归类进标准区和警告区两个区域，使得位于不同区域的节点以不同的概率当选为本轮簇头节点，从而保护能量相对较低的节点。在簇头与基站的数据传输过程中，根据簇头节点与基站距离的远近，采用单跳与多跳相结合的方式进行数据传输，降低了能量开销。本发明有效地延长了网络的生命周期，均衡了网络的能量消耗，优化了网络的性能。

主权项

基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定网络拓扑及初始化：将所有传感器节点随机分布于一个正方形区域内，并作如下假设：基站位置固定，处于正方形区域的中心，能量无限；所有传感器节点位置也固定，位置信息已知，具有唯一的标识，且具有相同的初始能量E₀；传感器节点发射功率可调整，可根据传输功率和接收信号的强度确定两节点间的距离；传感器节点之间可以互相直接通信；步骤二：确定能耗模型：采用一阶无线通信能量消耗模型；传感器节点发送k比特数据到距离为d的位置，消耗的能量由发射电路损耗和功率放大损耗两部分组成，具体计算公式如下：$E_{\mathrm{Tx}}(k,d)=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{kE}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{k\ϵ}}_{\mathrm{fs}}{d}^2,d\<d_0\\ {\mathrm{kE}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{k\ϵ}}_{\mathrm{mp}}{d}^4,d\≥d_0\end{array}\right.$上式中：E_elec为发射电路损耗能量；ε_fs和ε_mp为功率放大器的能耗系数；d₀表示距离阈值，取值为87.5，如果传输距离＜d₀，则功率放大损耗采用自由空间模型；如果传输距离≥d₀，则功率放大损耗采用多路径衰减模型；传感器节点接收k比特数据的能量消耗为：E_RX(k)＝kE_elec；步骤三：区域划分及簇头选举：每轮簇头选举之前，将传感器节点划分为两个不同的区域：标准区和警告区；如果传感器节点当前剩余能量大于能量阀值Dwarning，则将该传感器节点属于标准区，按照LEACH算法进行簇头选择，LEACH的门限值T(n)_(1)等于LEACH算法的门限值T(n)；如果传感器节点当前剩余能量小于能量阀值Dwarning，则将该传感器节点属于警告区，参照LEACH算法进行簇头选择，LEACH的门限值T(n)_(2)等于0.1倍的LEACH算法的门限值T(n)，即T(n)_(2)＝0.1×T(n)；步骤四：能量阀值Dwarning更新：每一轮簇头选举结束后，如果传感器节点剩余能量值低于当前Dwarning值，则该传感器节点向基站发送一警告信息，基站统计被警告传感器节点占整个网络的比例P，如果P大于设定的阀值T，T＝0.2，则更新Dwarning值，基站向整个网络广播Dwarning信息，否则不更新Dwarning值，基站也不向整个网络广播Dwarning信息；步骤五：簇建立及簇内通信：簇内通信采用单跳方式传输，当传感器节点被选作簇头以后，向外发送簇头广播信息，非簇头节点根据收到的簇头广播信息的信号强度大小决定要加入哪个簇，然后向决定加入的簇的簇头发送入簇请求，完成簇的建立后，簇头为每个簇内节点分配TDMA时间表，簇内节点按照该TDMA表将数据以单跳方式传输给簇头，簇头节点收到簇内所有数据后，进行数据融合；步骤六：数据发送：簇头节点融合簇内节点所发的数据后，若簇头到基站的距离＜d₀或簇头的候选中继节点集合为空时，则直接与基站进行单跳通信；若簇头到基站的距离≥d₀，则采用簇间多跳传输的方式，将数据传送给基站。