CN103024849A - 基于leach的无线传感器网络分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，其实现步骤为：按照LEACH协议产生临时簇头并分簇；判断选取的临时簇头是否是最优簇头，如果不是，则调整簇头，采取簇头竞争调整机制，选择本簇中的最优簇头节点当选为最终簇头；进行数据通信，簇内普通节点把采集到的数据发送给簇头，簇头进行数据融合后，最终发给Sink节点。本发明针对不同类型的应用场景采取不同的簇头调整策略，不仅兼顾了簇头的分布位置和簇头的剩余能量，采取簇头竞争调整方法，避免节点轮询的能量消耗，减少了簇内的网络消耗，减少网络开销，提高了网络的生存期，适用于现有的网络以及未来将出现的各种大规模无线传感器网络的要求。

Description

基于LEACH的无线传感器网络分簇方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，涉及大规模无线传感器网络节点分簇过程中最优簇头选取的方法，适用于现有的不同应用场景的大规模无线传感器网络。

背景技术

无线传感器网络是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式，人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。无线传感器网络涉及计算机、网络、通信、传感器等众多学科，已经成为目前IT领域中的研究热点之一。

在无线传感器网络中，无线传感器节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时无线传感器网络节点数目往往很大，无线传感器节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。传感器网络具有很强大的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。

LEACH(Low-energy Adaptive Clustering Hierarchy)方法是一种自适应分簇拓扑控制方法，将网络中的无线传感器节点划分为若干个簇，每个簇有一个簇头用来对簇内其它普通无线传感器节点进行管理和数据收集，簇头将接收到的簇内无线传感器节点的数据进行融合后发送到SINK节点。LEACH算法采取簇头轮换机制，能够保证各无线传感器节点等概率的担任簇头，将网络能耗平均分摊到每个无线传感器节点上，无线传感器节点能耗比较均匀；随机选取的簇头能够进行数据融合，减少网络中的数据通信量，减少能耗，从而延长了网络的生存周期。

虽然LEACH方法大大推迟了无线传感器节点死亡的时间，但是LEACH方法仍然存在一定缺陷：一方面，LEACH方法的簇头是随机选取的，导致簇头节点在数目上和网络中的不均匀分布。在簇头分布上，若簇头位置靠近簇的边缘，则导致簇内普通无线传感器节点与簇头通信总能量消耗较大；若簇头聚集分布在某一监测区域，则造成簇的大小不均匀，增加网络能耗。另一方面，LEACH方法在簇头选取上没有考虑无线传感器节点的剩余能量，它假设每个无线传感器节点的能量相同，这在实际情况中是不可能的。如果某个无线传感器节点的剩余能量比较小，而它又恰巧被选为簇头节点，由于簇头的能量消耗比较大，这样的簇头节点会提前死亡，该簇所收集的信息将不能传回SINK节点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，对用LEACH方法选取的随机簇头进行调整，选择其中的最优簇头作为最终簇头，以避免簇头的随机选取造成的无线传感器节点提前死亡，适用于不同的应用场景，减少网络能耗，提高生存周期。

实现本发明目的的技术方案包括如下步骤：

(1)根据LEACH协议选取临时簇头：

$P_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{k}{N-k*\left(r\mathrm{mod}\frac{N}{k}\right)},& \mathrm{Ci}\left(t\right)=1\\ 0,& \mathrm{Ci}\left(t\right)=0\end{array}\right.$

其中，N表示网络中的无线传感器节点个数，k表示每轮中期望产生的簇头数，Ci(t)＝1表示在本次N/k轮中该无线传感器节点未当选过簇头，Ci(t)＝0表示在本次N/k轮中该无线传感器节点已当选过簇头，r是选举轮数；

在每一轮开始的簇的建立阶段，每个无线传感器节点产生一个介于0到1之间的随机数，如果这个随机数小于P_i(t)(0≤P_i(t)≤1)，那么该无线传感器节点当选为簇头；如果该随机数大于P_i(t)，该无线传感器节点成为普通节点；

(2)根据LEACH协议对网络中无线传感器节点进行临时分簇：每个临时簇头会向全网广播自己成为簇头的广播信息(ADV)，无线传感器节点选择距离自己最近的临时簇头发送加入信息(JOIN)；

(3)判断选取的临时簇头的合理性，如果临时簇头不合理则进行簇头调整，簇头调整采取竞争方法，收到簇头竞争信息的无线传感器节点启动定时器，到达定时时间后无线传感器节点发送定时结束信息，其他节点接收到定时结束信息后取消定时器，最先到达定时时间的无线传感器节点为最终簇头；

(4)当簇头最终确定以后，在簇内发送一个广播告知所有无线传感器节点新的簇头信息；

(5)分簇完成以后，网络进入稳定的数据通信阶段，为避免发生数据碰撞，在簇间采用CDMA多址方式，簇内采用TDMA多址方式，每个无线传感器节点工作在各自的时隙中，向信息传送到簇头，簇头节点将接收到得信息融合后发送给SINK节点；

(6)在稳定数据通信阶段结束后，整个网络进入下一轮工作周期，进行簇头的选取，调整和数据通信。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)通过对随机选取的簇头进行调整，簇头竞争调整时考虑无线传感器节点间的通信能耗，竞争调整后的簇头与簇内无线传感器节点的平均通信功率最小，通信能耗最低，网络生存周期提高；

(2)选取剩余能量较大的无线传感器节点作为簇头，避免了剩余能量较少的无线传感器节点被选为簇头，避免了簇头的提前死亡，网络生存周期提高；

(3)簇头竞争时可以通过调整簇内能耗与无线传感器节点剩余能量的比例，可是适用于不同的大规模传感器网络场景，具有可扩展性。

附图说明

图1是本发明适用的场景图；

图2是本发明的工作时序图；

图3是本发明的流程图。

术语解释

LEACH：Low-energy Adaptive Clustering Hierarchy，低功耗自适应集簇分层型协议；

ADV：簇头广播，大功率传输；

JOIN：加入请求，采用功率控制(使信号可达簇头即可)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作详细叙述：

参照图1，本发明适用于大规模传感器网络场景，N个初始能量相同的无线传感器节点分布在区域中，无线传感器节点一旦配置完成即保持静止不动；在离传感区域较远处有一个固定的基站(SINK)，每个无线传感器节点都可以通过单跳方式与基站(SINK)直接通信；每个无线传感器节点的无线发射功率可控。

参照图3，本发明的无线传感器网络分簇方法实现步骤如下：

步骤1，在图1的大规模传感器网络场景中，根据LEACH协议选取临时簇头：

$P_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{k}{N-k*\left(r\mathrm{mod}\frac{N}{k}\right)},& \mathrm{Ci}\left(t\right)=1\\ 0,& \mathrm{Ci}\left(t\right)=0\end{array}\right.---\left[1\right]$

式[1]中，N表示网络中的无线传感器节点个数，k表示每轮中期望产生的簇头数，Ci(t)＝1表示在本次N/k轮中该无线传感器节点未当选过簇头，Ci(t)＝0表示在本次N/k轮中该无线传感器节点已当选过簇头，Ci(t)在每经过N/k轮时初始化为1；r是选举轮数；

表示这一次循环中已经进行了多少轮(每次循环包括轮)，那么则表示这一次循环中当选过簇头的无线传感器节点个数，为了保证每个无线传感器节点每经过轮当选一次簇头，所以采用模

在每一轮开始的簇的建立阶段，每个无线传感器节点产生一个介于0到1之间的随机数，如果这个随机数小于P_i(t)(0≤P_i(t)≤1)，那么该无线传感器节点当选为簇头；如果该随机数大于P_i(t)，该无线传感器节点成为普通节点。

步骤2，根据LEACH协议对网络中无线传感器节点进行临时分簇：

(2.1)每个临时簇头会向全网广播自己成为簇头的广播信息(ADV)，ADV信息采用CSMA机制大功率传输；

(2.2)任一无线传感器节点接收到若干个簇头广播后，根据接收到的信号强度大小选择一个距离自己最近的临时簇头加入该簇，并向此临时簇头发送一个加入请求(JOIN)加入该簇，加入请求JOIN采用CSMA机制可调功率传输；

(2.3)簇内普通无线传感器节点向临时簇头发JOIN信息时，根据接收ADV的信号强度调整其发射功率使得临时簇头正好能够收到该无线传感器节点的JOIN信息。

步骤3，判断临时簇头是否需要调整及通过调整选取最优簇头：

(3.1)普通节点向簇头发送JOIN信息时，JOIN信息会被本簇内的其他无线传感器节点侦听检测到，参数N_i表示无线传感器节点i能够接收到本簇无线传感器节点JOIN信息的个数，N_总表示临时簇头接收到入簇消息JOIN的个数，即本簇的普通无线传感器节点总个数；如果簇内存在N_i≥βN_总的无线传感器节点，其中，0.5＜β＜1，β随着传感器网络的规模以及无线传感器节点的密度不同而改变，则需要对临时簇头进行调整；

(3.2)临时簇头以P_r＝0.5P_max的功率向簇内无线传感器节点发送簇头竞争调整消息；

其中，参数P_r表示临时簇头发送簇头竞争消息的功率，P_max表示临时簇头与簇内最远无线传感器节点的通信功率，在无线传感器节点向临时簇头发送JOIN信息时P_max可以测出；

(3.3)接收到簇头竞争调整消息的无线传感器节点启动定时器，定时时间与无线传感器节点的剩余能量信息和无线传感器节点接收其他无线传感器节点JOIN信息的个数等因素有关，定时时间结束后无线传感器节点发送定时结束信息，其他无线传感器节点收到定时结束信息后取消定时器；

无线传感器节点定时器的时间为：

$\mathrm{Ti}=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}T;---\left[2\right]$

式[2]中，参数T_i表示无线传感器节点的计时器时间，T是常数，参数θ_i表示无线传感器节点i剩余能量和与其他无线传感器节点通信能耗的权重，用式[3]表示：

式[3]中，参数E_res表示无线传感器节点的剩余能量，参数E_init表示无线传感器节点的初始能量，α(0≤α≤1)表示调节参数，用于调整无线传感器节点的剩余能量和与其它无线传感器节点通信功率的比重，参数

表示无线传感器节点i与N_i个无线传感器节点通信的平均功率，参数

表示临时簇头节点与簇内所有无线传感器节点通信的平均功率，(N_i-βN_总)避免竞争半径内不合适的无线传感器节点竞争为最终簇头，

表示无线传感器节点i与N_i个无线传感器节点的通信功率，

表示临时簇头与簇内所有无线传感器节点的通信功率；

根据公式[2]与[3]可知，剩余能量较大、与簇内多数无线传感器节点通信功率较小的无线传感器节点的定时时间较小，选取θ_i值最大，T_i值最小，最先到达定时器时间和最先发送定时结束信息的簇头为最终簇头，也就是最优簇头。

步骤4，当簇头最终确定以后，在簇内发送一个广播告知所有无线传感器节点新的簇头信息，网络中的簇结构就建立了起来，每一个簇的簇头都是本轮的最优簇头。

步骤5，分簇完成以后，网络进入稳定的数据通信阶段：

(5.1)簇间采用CDMA多址方式，簇内采用TDMA多址方式，在每一帧(Frame)中，各无线传感器节点工作在各自的时隙上，如图2所示，不在自己的时隙时无线传感器节点可以关闭无线通信模块以节约能量；

(5.2)各无线传感器节点持续采集监测数据，在自己的时隙发送数据消息(Data)传给簇头。由于普通无线传感器节点与簇头在簇的建立阶段有过信息交互，因此在数据通信阶段可以采用功率控制技术，设定合适的发射功率使数据能够到达簇头；

(5.3)簇头先对从各个无线传感器节点接收来的数据进行数据融合处理，产生一个新的Data，最后将数据发给Sink节点，进一步减少了通信业务量；

(5.4)在一个帧长中所有无线传感器节点都完成了一次通信，网络中所有无线传感器节点采集的信息通过簇头向Sink发送了一次，数据通信阶段如此反复地执行若干个帧长。

步骤6，在稳定数据通信阶段结束后，整个网络进入下一轮工作周期，重新进入Set-up阶段，以使动态成簇，各无线传感器节点轮流担任功耗较大的簇头，大大延长了系统的生命周期。

Claims (3)

1.一种基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，根据LEACH协议对无线传感器网络节点进行分簇，随机选取临时簇头，再依据应用场景对临时簇头进行调整选取最优簇头，将最优簇头作为最终簇头，所述分簇方法具体包括如下步骤：

(1)根据LEACH协议选取临时簇头：

式[1]中，N表示网络中的无线传感器节点个数，k表示每轮中期望产生的簇头数，Ci(t)＝1表示在本次N/k轮中该无线传感器节点未当选过簇头，Ci(t)＝0表示在本次N/k轮中该无线传感器节点已当选过簇头，Ci(t)在每经过N/k轮时初始化为1；r是选举轮数； 

表示本次循环中选举轮数，则 

表示本次循环中当选过簇头的无线传感器节点个数，采用模 

来保证每个无线传感器节点每经过 

轮选举当选一次簇头；

在每一轮开始的簇的建立阶段，每个无线传感器节点产生一个介于0到1之间的随机数，如果这个随机数小于P_i(t)(0≤P_i(t)≤1)，那么该无线传感器节点当选为临时簇头；如果该随机数大于P_i(t)，该无线传感器节点成为普通节点；

(2)根据LEACH协议对网络中无线传感器节点进行临时分簇，每个临时簇头会向全网广播自己成为簇头的广播信息ADV，无线传感器节点选择距离自己最近的临时簇头发送加入信息JOIN；

(3)判断选取的临时簇头的合理性，如果临时簇头不合理则进行簇头调整，簇头调整采取竞争方法，收到簇头竞争信息的无线传感器节点启动定时器，到达定时时间后无线传感器节点发送定时结束信息，其他无线传感器节点接收到定时结束信息后取消定时器，最先到达定时时间的无线传感器节点为最终簇头；

(4)当最终簇头确定以后，在簇内发送一个广播告知所有无线传感器节点新簇 头信息，网络中的分簇结构就建立起来，每一个簇的簇头都是本轮的最优簇头；

(5)分簇完成以后，网络进入稳定的数据通信阶段；

(6)当稳定数据通信阶段结束后，网络再进入一轮簇头选取，分簇和数据通信工作。

2.根据权利要求1所述的基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，其特征在于：所述步骤(3)的判断选取的临时簇头的合理性并选取最终簇头的方法按如下步骤进行：

(2a)普通无线传感器节点向簇头发送JOIN信息时，JOIN信息会被本簇内的其他无线传感器节点侦听检测到，用参数N_i表示无线传感器节点i能够接收到本簇无线传感器节点JOIN信息的个数，用N_总表示临时簇头接收到入簇消息JOIN的个数，即本簇的普通无线传感器节点总个数，如果簇内存在无线传感器节点个数N_i≥βN_总，要对临时簇头进行调整，其中，0.5＜β＜1，β随着无线传感器网络的规模以及无线传感器节点的密度不同而改变；

(2b)临时簇头以P_r＝0.5P_max的功率向簇内无线传感器节点发送簇头竞争调整消息；

其中，参数P_r表示临时簇头发送簇头竞争消息的功率，P_max表示临时簇头与簇内最远无线传感器节点的通信功率，在无线传感器节点向临时簇头发送JOIN信息时P_max能够测出；

(2c)接收到簇头竞争调整消息的无线传感器节点启动定时器，定时时间与无线传感器节点的剩余能量信息和无线传感器节点接收其他无线传感器节点JOIN信息数有关，定时时间结束后无线传感器节点发送定时结束信息，其他无线传感器节点收到定时结束信息后取消定时器；

无线传感器节点的定时器时间为：

式[2]中，参数T_i表示无线传感器节点的计时器时间，T是常数，参数θ_i表示无线传感器节点i剩余能量和与其他无线传感器节点通信能耗的权重，用式[3]表示： 

式[3]中，参数E_res表示无线传感器节点的剩余能量，参数E_init表示无线传感器节点的初始能量，α(0≤α≤1)表示调节参数，用于调整无线传感器节点的剩余能量和与其它节点通信功率的比重，参数 表示无线传感器节点i与N_i个无线传感器节点通信的平均功率，参数 

表示簇头节点与簇内所有无线传感器节点通信的平均功率，(N_i-βN_总)避免竞争半径内不合适节点竞争为最终簇头， 

表示无线传感器节点i与N_i个无线传感器节点的通信功率， 

表示临时簇头与簇内所有无线传感器节点的通信功率；

根据公式[2]与[3]可知，剩余能量较大、与簇内多数无线传感器节点通信功率较小的无线传感器节点的定时时间较小，选取θ_i值最大，T_i值最小，最先到达定时器时间和最先发送定时结束信息的簇头为最终簇头，也就是最优簇头。

3.根据权利要求1所述的基于LEACH的无线传感器网络分簇方法，其特征在于：所述步骤(4)的稳定数据通信阶段的通信过程如下：

(3a)簇间采用CDMA多址方式，簇内采用TDMA多址方式，在每一帧中，各无线传感器节点工作在各自的时隙上，不在自己的时隙时无线传感器节点关闭无线通信模块以节约能量；

(3b)各无线传感器节点持续采集监测数据，在自己的时隙发送数据消息Data给簇头；

(3c)簇头先对从各个无线传感器节点接收来的数据进行数据融合处理，产生一个新的Data，最后将数据发给Sink节点，进一步减少了通信业务量；

(3d)在一个帧长中所有无线传感器节点都完成了一次通信，网络中所有无线传感器节点采集的信息通过簇头向Sink发送了一次，数据通信阶段如此反复地执行若干个帧长。 

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