[发明专利]一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法

摘要

本发明公开了一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法，该算法在选举簇头时同时考虑分簇负载分布情况和节点剩余能量两个优化目标，通过改进选举簇头时的阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围，以缓解簇头能量消耗不均衡的问题；同时通过控制不同位置簇头的覆盖范围，考虑距离权值和剩余能量权值，使得簇头的成员节点分布较为均匀，以提高节点能量效率。本发明提出的算法具有较高的能量利用率，很好地均衡了网络中节点的能量消耗，簇头分布和数量能更加稳定，可以提高数据传量、延长网络生命周期，更好地满足无线传感器网络在周期性监测环境中对网络生命周期的要求。

主权项

1.一种基于簇头期望的无线传感器网络能量均衡路由优化方法，其特征在于，包括：将簇数目、节点剩余能量以及簇的负载均衡等因素加入到簇头的选举中，将分簇的负载分布情况和节点剩余能量作为选举簇头的两个主要指标；所述簇头的选举的工作时间单位是轮，每一轮分为簇建立阶段和数据传输阶段两部分，通过调整阈值来保证每一轮簇头数目在期望范围，解决簇头能量消耗不均衡的问题；通过控制不同位置簇头的覆盖范围，计算距离权值和剩余能量权值，使得簇头的节点成员分布较为均匀，以提高节点能量效率；Ci是节点i在当前周期是否成为过簇头的指示函数，所述簇建立阶段的步骤为：A1、遍历每个未失效且Ci＝1的节点，节点i随机生成[0,1]间的实数l；A2、计算节点i的阈值Pi，判断Pi与l的大小关系；如果l其中，n表示节点总数，r表示轮数，k表示簇头数目，E_i表示节点i的能量，表示有资格参加选举的节点能量；表示平均能量；mod为数学符号，表示求余运算；因为只有当前周期还未成为簇头的节点可以参加簇头选举，所以(1)式中能量比例因子的分母不是全体节点的平均能量，而是有资格参加选举的节点平均能量；同时(1)式可以使得期望簇头数目保持k不变；簇头期望公式为：将(1)式代入(2)式得：已知下式：由(4)式和(3)式可得:为了节点能量均衡，要多让高能量节点当选簇头，每个候选簇头将自身的地址位置、剩余能量、节点与簇头的距离以及簇头与基站的距离等消息广播给其他节点；令节点i的初始能量为在第r轮分簇之前的剩余能量权值为其中，表示节点i第r轮的能量；表示节点j第r‑1轮的能量；表示节点i的初始能量；m表示为成员节点，N(m,r‑1)表示在第r轮分簇之前非簇头的成员节点数量；越大，说明该节点在此时的剩余能量越大；节点i到簇头CHi的通信范围越小，簇头与节点之间的能耗越小；同样如果节点i到基站BS的通信范围越小，数据传输的能耗也越小；根据自由传播能量模型可知，则综合距离权值可以表示为其中，d(i,CHi)表示节点i到簇头CHi的距离，d(i,BS)表示节点i到基站BS的距离，d(j,CHi)表示节点j到簇头CHi的距离，d(j,BS)表示节点j到基站BS的距离；结合公式(5)，同时加入综合距离权值使得簇头尽量靠近基站，减少数据传输消耗的能量；节点i成为簇头的概率由式(8)计算：设α、β为调节节点剩余能量权值和综合距离权值在簇头竞争时所占的概率比值，且α+β＝1。