一種降低功耗的leach協(xié)議改進(jìn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法，其基本系統(tǒng)包括普通節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、基站，具體循環(huán)工作步驟為確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹跏蓟仡^節(jié)點(diǎn)的選取→簇的形成→數(shù)據(jù)傳輸→簇頭節(jié)點(diǎn)的選取→簇的形成。本發(fā)明針對(duì)LEACH協(xié)議的不足，從簇頭選取、簇的形成、數(shù)據(jù)傳輸方式三方面做出改進(jìn)。簇頭選取中考慮節(jié)點(diǎn)的能量、到基站的距離、密度三個(gè)因素的綜合影響，均衡簇頭的負(fù)擔(dān)，使選出的簇頭節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的分布和能耗均衡。簇的形成中，采取網(wǎng)格分簇，節(jié)點(diǎn)自己計(jì)算所在網(wǎng)格的二維值，保障節(jié)點(diǎn)能源的有效性。數(shù)據(jù)傳輸方式中，根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)和基站的距離采用單多跳結(jié)合的路由方式，以能量利用率最高為目的，降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗。
【專利說明】一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的網(wǎng)絡(luò)模型，它由大量具有通信和計(jì)算能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域構(gòu)成。這些傳感器節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的電池供電，并以自組織的形式組網(wǎng)，通過節(jié)點(diǎn)之間協(xié)調(diào)運(yùn)作，采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，及時(shí)發(fā)送給觀察者，完成預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。
[0003]目前國(guó)內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測(cè)，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往被布置于惡劣的、人類難以到達(dá)的環(huán)境中，且采用電池供電，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電能耗盡后難以及得到補(bǔ)充和更換，因此節(jié)點(diǎn)功耗是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為突出的要素。如何降低和均衡節(jié)點(diǎn)能耗，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠地工作，是需要解決的首要問題。國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展表明:路由協(xié)議是組網(wǎng)的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，改進(jìn)適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可以有效降低節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，具有很高的研究?jī)r(jià)值。
[0004]LEACH 協(xié)議是由 Wendi Rabiner Heinzelman、Anantha Chandrakasan 和Hari Balakrishnan 三人在 2000 年 Proceedings of the 33rd Hawaii InternationalConference on System Sciences 上的一篇文章 Energy-Efficient CommunicationProtocol for Wireless Microsensor Networks中首次提出，節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)聚類的建立帶來了顯著的節(jié)能效果，使系統(tǒng)的生命周期得到延長(zhǎng)。但是LEACH協(xié)議中，簇頭和基站的數(shù)據(jù)傳輸是單跳方式，當(dāng)距離大于傳感器通信模塊距離閾值，能耗采用多路徑衰減模型計(jì)算，能耗將陡增，遠(yuǎn)處簇頭易失效過早。并且簇頭的產(chǎn)生完全依靠隨機(jī)數(shù)，與節(jié)點(diǎn)自身因素?zé)o關(guān)，導(dǎo)致簇頭在網(wǎng)絡(luò)中分布和能耗不均衡，有的簇頭由于簇規(guī)模過大、任務(wù)過重會(huì)而過早失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法，能夠有效降低和均衡節(jié)點(diǎn)能耗，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠地工作。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法，包括以下步驟:
步驟一，確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?將η個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)的感知半徑相同，覆蓋區(qū)域是以節(jié)點(diǎn)為圓心，R為半徑的圓；基站配置于監(jiān)測(cè)區(qū)域之外，可以和區(qū)域內(nèi)任意一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)直接通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定完畢；
步驟二，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定后進(jìn)行初始化，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的初始能量均為Ε，基站計(jì)算基站到每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的距離，找到距離最大值和最小值；基站泛洪廣播全網(wǎng)信息包，包括
最大距離、最小距離以及基站的位置信息，各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到消息后連同自身的位置信息存儲(chǔ)起來；
步驟三，簇頭節(jié)點(diǎn)的選取:從節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)到基站的距離、節(jié)點(diǎn)密度三個(gè)因子方面綜合選族簇頭，協(xié)議根據(jù)三個(gè)因子區(qū)分出三類特殊節(jié)點(diǎn)，通過提高特殊節(jié)點(diǎn)的當(dāng)選概率，均衡簇頭的負(fù)擔(dān)；三類特殊節(jié)點(diǎn)分別為:
I型高能節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)能耗率與網(wǎng)絡(luò)平均能耗率的商差值S小于O ;
II型“熱區(qū)”節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)與基站的距離小于最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)和基站距離的20% ；
III型密集區(qū)域節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度超出網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)密度50% ；
網(wǎng)絡(luò)中非特殊的節(jié)點(diǎn)均為普通節(jié)點(diǎn)，閾值公式與LEACH協(xié)議相同，表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法，包括以下步驟: 步驟一，確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?將η個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)的感知半徑相同，覆蓋區(qū)域是以節(jié)點(diǎn)為圓心，R為半徑的圓；基站配置于監(jiān)測(cè)區(qū)域之外，可以和區(qū)域內(nèi)任意一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)直接通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定完畢； 步驟二，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定后進(jìn)行初始化，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的初始能量均為Ε，基站計(jì)算基站到每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的距離，找到距離最大值和最小值；基站泛洪廣播全網(wǎng)信息包，包括最大距離、最小距離以及基站的位置信息，各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到消息后連同自身的位置信息存儲(chǔ)起來； 步驟三，簇頭節(jié)點(diǎn)的選取:從節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)到基站的距離、節(jié)點(diǎn)密度三個(gè)因子方面綜合選族簇頭，協(xié)議根據(jù)三個(gè)因子區(qū)分出三類特殊節(jié)點(diǎn)，通過提高特殊節(jié)點(diǎn)的當(dāng)選概率，均衡簇頭的負(fù)擔(dān)；三類特殊節(jié)點(diǎn)分別為: I型高能節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)能耗率與網(wǎng)絡(luò)平均能耗率的商差值0小于O ; II型“熱區(qū)”節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)與基站的距離小于最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)和基站距離的20% ； III型密集區(qū)域節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度超出網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)密度50% ； 網(wǎng)絡(luò)中非特殊的節(jié)點(diǎn)均為普通節(jié)點(diǎn)，閾值公式與LEACH協(xié)議相同，表示為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法，其特征在于:在所述步驟三簇頭節(jié)點(diǎn)的選取中，1、IIJII型節(jié)點(diǎn)的具體的協(xié)議區(qū)分條件與各閥值公式如下: Ca)當(dāng)節(jié)點(diǎn)能耗率與網(wǎng)絡(luò)平均能耗率的商差值0小于O，滿足公式
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法，其特征在于:在所述步驟五數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用多跳方式進(jìn)行簇外數(shù)據(jù)傳輸時(shí)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的方法為:以簇頭節(jié)點(diǎn)B為圓心，aPe + ?和dt -dj為外徑和內(nèi)徑作圓環(huán),在圓環(huán)區(qū)域內(nèi)選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，其中，4為最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離，df t 、dt d,分別為外徑和內(nèi)徑的增補(bǔ)量，控制節(jié)點(diǎn)搜索面積； 若圓環(huán)區(qū)域內(nèi)有況個(gè)候選簇頭，首先通過距離條件,篩選出符合距離條件的M個(gè)候選簇頭，其中，Cli候選簇頭與基站的距離，d0為待轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與基站的距離，&為距離衰減因子；再將篩選所得的M個(gè)候選簇頭按距離和剩余能量排序并計(jì)分，將距離從小到大排序并計(jì)分為戽，距離越小分值越高；再將它們的剩余能量按從小到大排序并計(jì)分為剩余能量越大分值越高；然后通過權(quán)重計(jì)算公式計(jì)算總得分，總得分最高的候選簇頭當(dāng)選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算公式為:Uti = Sjwl +￡xn-3-(i = 其中，W1為距離的權(quán)重，-W2為能量的權(quán)重，?為節(jié)點(diǎn)η的距離計(jì)分，S11為節(jié)點(diǎn)的剩余能量計(jì)分； 若圓環(huán)區(qū)域內(nèi)不含簇頭或不含滿足距離條件的簇頭時(shí)，選擇圓環(huán)中的普通節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；選擇方法為首先通過距離條件4篩選出M個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中，屯普通節(jié)點(diǎn)與基站的距離巉為待轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與基站的距離，β2為距離衰減因子，;然后比較M個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低功耗的LEACH協(xié)議改進(jìn)方法，其特征在于:在所述步驟五數(shù)據(jù)傳輸過程中，簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)按照TDMA時(shí)間表將采集的數(shù)據(jù)傳送給簇頭，不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)；簇頭對(duì)本簇的數(shù)據(jù)包進(jìn)行融合和去冗處理后發(fā)送給基站或者轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；對(duì)于單跳方式發(fā)送數(shù)據(jù)包的簇頭，為了避免信息碰撞，按照不同的CDMA代碼將信息傳輸給基站。
【文檔編號(hào)】H04W52/02GK103916942SQ201410134683
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】陳孟元, 周萌, 陳躍東 申請(qǐng)人:安徽工程大學(xué)