基于树的无线传感器网络能耗均衡的改进LEACH方法

摘要

本发明提供了一种基于树的无线传感器网络能耗均衡的改进LEACH方法，首先确定簇头传感器节点和区域内的工作节点，然后基于树算法构建路由树，实现无线传感器网络的能耗均衡；本发明在进行簇头选择时，考虑了传感器节点到基站的距离和传感器节点当前的剩余能量，使距离基站较近和剩余能量大的传感器节点优先成为簇头；其次，在无线传感器网络中所有传感器节点都加入相应的簇头形成簇之后，对每个簇进行区域划分并选择工作节点，并且优先选择剩余能量大于该簇平均剩余能量的传感器节点作为工作节点，避免远距离传输造成巨大的能量消耗，从而使传感器节点的能量消耗得到均衡，延长无线传感器网络的生命周期。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络通信技术领域，尤其涉及一种基于 树的无线传感器网络能耗均衡的改进LEACH方法。

背景技术

随着无线通信的快速发展，传感器技术和传感器制造工艺水 平大大提升，各种微型传感器被制造并应用在现实生活中，其中 无线传感器网络(Wireless SensorNetworks,WSN)就是由成千上 万个微型传感器构成，由这些传感器组成的无线传感器网络被广 泛应用于环境监测、工业控制、军事战场等诸多领域中。

虽然无线传感器网络在现实中的应用有很多优势，但是它在 实际应用中还存在一些亟待解决的问题：WSN中的传感器数量非 常大，传感器的部署和能量补充都很不容易，因此这些传感器在 部署之后不再移动和更换；由于每个传感器节点携带的能量有限， 在无法得到能量补充的情况下，一旦节点能量耗尽，该节点将会 失去监测功能，从而影响整个WSN的监测性能；如何在有限能量 的前提下，降低节点传输数据能耗，延长WSN的生命周期，是无 线通信技术中需要解决的重要问题之一。

目前延长WSN生命周期有效的方法是设计合理的路由算法。

2000年，MIT的Heinzelman等人提出了低功耗自适应分簇路 由协议(LEACH路由协议)，这是最早的基于分簇的路由协议；该 协议首次提出了执行过程分轮和网络节点分簇的思想，在运行过 程的每一轮中，簇都会重新构建，簇构建完成之后，再执行相应 的数据传输；因此在每一轮中，LEACH算法可以分为两个阶段，分 别是簇的构建阶段和数据传输阶段，在每一轮中都会依次执行这 两个阶段；在簇的构建阶段，首先要确定簇头节点和非簇头节点， 簇头节点通过簇头选择阈值来确定，满足簇头选择阈值的节点将 成为簇头节点，其它节点成为非簇头节点；簇头节点和非簇头节 点确定后，非簇头节点根据一定的规则选择自己相应的簇头加入 并形成簇；在数据传输阶段，每个簇内的非簇头节点负责将收集到的数据发送给自己相应的簇头节点，簇头节点负责接收簇内非 簇头节点发送的数据并融合，融合之后簇头节点将数据发送给基 站，最后由基站将数据传输给监控中心进行相应的操作；每执行 一次簇的构建和数据传输之后，网络都会进入下一轮重新执行簇 的构建和数据传输，直到网络中的所有节点能量消耗完。

LEACH算法是最经典的分簇路由算法，对研究分簇路由算法具 有很重要的指导意义；LEACH算法虽然可以延长网络的生命周期， 但是它仍然存在一些问题：

首先，LEACH在选择簇头的时候使用的是随机选取的方法，导 致簇头的选择不合理，可能加快某些节点的死亡；

其次，LEACH算法每轮所有节点都参与监测，会导致节点能量 的浪费；

最后，簇头传输数据时通过单跳的方式直接发送给基站，这 可能会使距离基站较远的簇头浪费大量的能量。

上述问题都将导致网络中节点的能耗不均衡，造成不必要的 能量浪费，影响网络的生存周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于树的无线传感器网络能耗均衡 的改进LEACH方法，能够解决现有的LEACH算法簇头节点选择不合 理、节点能量浪费和能耗不均衡的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于树的无线传感器网络能耗均衡的改进LEACH方法，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＝{s

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

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

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

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

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 Z

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

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'＝{c

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

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

步骤2中所述每个传感器节点s

其中，基站位置坐标为(x

步骤2中所述传感器节点s

其中，ω

步骤2中所述传感器节点s

其中，E

步骤3中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

步骤5中所述非簇头节点计算自身到每个簇头节点的距离 d

其中，簇头节点的位置坐标为(x

步骤9中所述下一跳能量因子EF(i,j)和下一跳路径能耗因子 REF(i,j)的计算方法为：

其中，E

其中，

E

其中，E

步骤9中所述计算路径权重W(i,j)的方法为：

W(i,j)＝μEF(i,j)+λ[1-REF(i,j)]；

其中，μ和λ为路径权重的加权系数。

本发明的有益效果：

通过上述技术方案，本发明针对现有LEACH算法存在的网络 能耗不均衡等问题，提出了一种基于树的无线传感器网络能耗均衡 的改进LEACH方法；

首先，本发明在进行簇头选择时，考虑了传感器节点到基站 的距离和传感器节点当前的剩余能量，使距离基站较近和剩余能 量大的传感器节点优先成为簇头；

其次，在无线传感器网络中所有传感器节点都加入相应的簇 头形成簇之后，对每个簇进行区域划分并选择工作节点，并且优 先选择剩余能量大于该簇平均剩余能量的传感器节点作为工作节 点；

最后，在数据传输过程中，本发明通过构造路由树作为数据 传输路径，避免远距离传输造成巨大的能量消耗，从而使传感器 节点的能量消耗得到均衡，延长无线传感器网络的生命周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方 案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简 单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明所述的基于树的无线传感器网络能耗均衡的 改进LEACH方法，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＝{s

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

其中，步骤2中所述每个传感器节点s

其中，基站位置坐标为(x

步骤2中所述传感器节点s

其中，ω

步骤2中所述传感器节点s

其中，E

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

其中，步骤3中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

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

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

其中，步骤5中所述非簇头节点计算自身到每个簇头节点的距 离d

其中，簇头节点的位置坐标为(x

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 Z

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

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'＝{c

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

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；

其中，步骤9.4中所述下一跳能量因子EF(i,j)和下一跳路径能 耗因子REF(i,j)的计算方法为：

其中，E

其中，

E

其中，E

步骤9.4中所述计算路径权重W(i,j)的方法为：

W(i,j)＝μEF(i,j)+λ[1-REF(i,j)]；

其中，μ和λ为路径权重的加权系数；

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

需要进一步说明的是：

本发明中，无线传感器网络中任意两个传感器节点之间的受 大数据的能量消耗可以通过以下方法计算：

任一传感器节点向距离为d

传感器接收节点接收l bit数据消耗的总能量E

E

其中，E

通过上述技术方案，本发明针对现有LEACH算法存在的网络 能耗不均衡等问题，提出了一种基于树的无线传感器网络能耗均衡 的改进LEACH方法；

首先，本发明在进行簇头选择时，考虑了传感器节点到基站 的距离和传感器节点当前的剩余能量，使距离基站较近和剩余能 量大的传感器节点优先成为簇头；

其次，在无线传感器网络中所有传感器节点都加入相应的簇 头形成簇之后，对每个簇进行区域划分并选择工作节点，并且优 先选择剩余能量大于该簇平均剩余能量的传感器节点作为工作节 点；

最后，在数据传输过程中，本发明通过构造路由树作为数据 传输路径，避免远距离传输造成巨大的能量消耗，从而使传感器 节点的能量消耗得到均衡，延长无线传感器网络的生命周期。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载 的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的范围。