CN110149672A - 一种改进的i-leach路由通信方法 - Google Patents

一种改进的i-leach路由通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的I‑LEACH路由通信方法，该方法为：在簇的形成阶段，计算节点的剩余能量信息，让剩余能量最大的节点担任簇头节点的概率变大。簇头选择结束以后，每个普通节点根据距离就近原则选择加入簇，成为簇内成员节点，其中一些成员节点与sink节点距离很近，就让这些节点直接和sink节点完成数据的交换，最后，正常进行数据的传输。本发明对水域监测通信性能进行优化，有效降低了网络的能量消耗，提高了网络的生命周期，延长了水域监测系统的工作寿命。

Description

一种改进的I-LEACH路由通信方法
技术领域
本发明涉及一种改进的I-LEACH路由通信方法，属于I-LEACH路由通信技术领域。
背景技术
LEACH是一种WSN的低功耗自适应聚类路由通信方法，其基本思想是通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而降低网络能耗。但该方法＝法其存在的簇头选举依据单一的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种改进的I-LEACH路由通信方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种改进的I-LEACH路由通信方法，该方法为：首先，在簇的形成阶段，根据阈值A(n)让剩余能量大，距离基站较近的节点有更大的概率当选为候选簇头节点，而后候选簇头节点建立自己的邻簇头节点集合，再根据能量因子和密度因子进行二次竞争，最终确定簇头节点，其次，簇头选择结束后，每个普通节点根据距离就近原则选择加入簇，成为簇内成员节点，其中一些成员节点与sink节点距离很近，就让这些节点直接和sink节点完成数据的交换，最后，正常进行数据的传输。
一种改进的I-LEACH路由通信方法，该方法中无线传感器网络活动节点的能耗主要由数据的收发能耗和数据处理能耗组成，节点发送kbits数据的能耗Ps(k)表示为：
PS(k)＝Eelec×k+Eamp×dγ×k (2)
节点接收kbits数据的能耗PR(k)为：
PR(k)＝Eelec×k (3)
节点分析和处理kbits数据的能耗Ecpu(k)为：
Pcpu(k)＝Ecpu×k (4)
其中，k为数据包的二进制长度，Eelec(nJ/bit)为射频电路的能耗系数，Eamp(nJ/bit/m2)为电路的放大器能耗系数，d为发送距离，γ为信号衰减指数，取值为2或4；
采用二次竞争法优化选取簇头：在第一轮竞争中，普通节点通过自身产生的随机数a(0<a<1)，与阈值A(n)比较，选出候选簇头节点；第二轮竞争中，候选簇头节点建立自己的邻居簇头节点集合Ich，与集合中的其余候选簇头通过权值wi再次竞争最终得到最优的簇头节点。
二次竞争法优化选取簇头包括以下具体步骤：
1)候选簇头的选取
在第一次竞争选取候选簇头时，将节点与基站之间的距离、节点自身能量考虑在内，提出距离因子和能量因子；
a)距离因子
无线通信能耗与通信距离有着很大的关系，根据发送数据和接收数据功率之间的关系，得到：
Pr＝(Pt/r)*n (5)
其中，r是节点间的距离，n是传播因子，与环境有关，Pr是接收功率，Pt是发送功率；
在簇头选举开始时，首先由基站发送广播，计算节点i自身与基站之间的距离dBi，同时将自己当前的能量信息返还给基站；由此得到节点i竞选簇头的距离因子：
Di＝(dBi-dm)/(dm-dn) (6)
其中Di是距离因子，dBi是节点i与基站之间的距离，dm是节点与基站之间最远的距离，dn是节点基站之间最近距离；
b)能量因子
原始的LEACH协议选择簇头时没有考虑能量因素，如果选到剩余能量较低的节点作为簇头，将会大大影响网络的生命周期，因此提出能量因子：
其中Ere是节点的剩余能量因子，Ec是节点的当前能量，Et是节点的初始能量；
候选簇头的选择依据为：
其中λ1、λ2为常数，且λ1+λ2＝1，在第一轮竞争中，每个节点选择一个随机数a(0<a<1)，如果a<A(n)，则该节点成为候选簇头节点，否则就进入休眠知道竞争结束，式(8)表明，只有以前的轮回中没有作过簇头的、能量消耗较少、距离基站较近的节点才能当选为本轮的候选簇头节点；
2)确定簇头节点
在经过第一次竞争选择出候选簇头后，首先建立每个候选簇头的邻居簇头集合，再根据相对能量和节点密度确定簇头竞争权值，继而经二次竞争最终确定簇头节点，先确定每个候选簇头节点的邻簇头节点集合
Ich＝{Ij/Ij是候选簇头，且d(Ii，Ij)＜R}(9)
在候选簇头第二次竞争过程中，候选簇头i的相对剩余能量Erei由式(7)得出，计算密度因子：
其中ρ为密度因子，ich是候选簇头i的邻居节点数，ist是按照完全均匀散布的标准簇中的节点的邻居节点数目，则候选簇头的竞争权值为：
wi＝αEre+βρ (11)
其中，α、β是权值因子，且α+β＝1，由此根据式(11)计算每个候选簇头的竞争权值；
在候选簇头第二次竞争中，每个候选簇头节点都以通信距离R相配合的功率发送广播，广播内容包括本节点id和节点竞争权值，每个候选簇头节点根据消息构建邻簇头集合Ich，根据权值大小确定最终的簇头，倘若候选簇头权值相同，则选择id小的作为簇头。
优选的，上述在确定簇头节点后，周围普通节点按照就近原则加入距离自己最近的簇，再对簇内通信进行优化：设C为簇头节点，A为普通节点，当族头节点到普通节点的距离D(A，C)＜D(A,Sink)时，则普通节点A采集到的数据就发送给簇头节点C，经过簇头节点的数据融合后，再发送到Sink；当族头节点到普通节点的距离D(A，C)＞D(A,Sink)时，则将节点A采集到的数据直接发送给Sink节点。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明综合考虑节点的剩余能量、与基站间的距离，周围节点密度等因素，采用二次竞争选取簇头的方法，继而又对簇内通信进行了简单的优化，得到了改进的I-Leach通信方法，该方法对通信系统中能有效降低了网络的能量消耗，提高了网络的生命周期。
附图说明
图1是二次竞争选取簇头流程图；
图2是簇内通信优化示意图；
图3是算法流程图；
图4是存活节点变化对比图；
图5是网络能耗对比图；
图6是网络数据传输对比图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：LEACH算法：LEACH协议是自组织自适应的分簇协议，利用随机性使网络中节点的能量消耗均勾分布。簇头节点是周期性按轮随机选举，每轮选举方法是：各节点产生一个，之间的随机数，如果该随机数小于设定的阈值T(n)，则该节点成为簇头。T(n)的计算公式如下：
其中，p是网络中簇头数与总节点数的百分比，r是当前的选举轮数，G是最近轮不是簇头的节点集。其中阀值T(n)的设定能充分保证选择出的簇头节点在网络中的随机分布。
一种改进的I-LEACH路由通信方法，该方法为：首先，在簇的形成阶段，根据阈值A(n)让剩余能量大，距离基站较近的节点有更大的概率当选为候选簇头节点，而后候选簇头节点建立自己的邻簇头节点集合，再根据能量因子和密度因子进行二次竞争，最终确定簇头节点，其次，簇头选择结束后，每个普通节点根据距离就近原则选择加入簇，成为簇内成员节点，其中一些成员节点与sink节点距离很近，就让这些节点直接和sink节点完成数据的交换，最后，正常进行数据的传输。
一种改进的I-LEACH路由通信方法，该方法中无线传感器网络活动节点的能耗主要由数据的收发能耗和数据处理能耗组成，节点发送kbits数据的能耗Ps(k)表示为：
PS(k)＝Eelec×k+Eamp×dγ×k (2)
节点接收kbits数据的能耗PR(k)为：
PR(k)＝Eelec×k (3)
节点分析和处理kbits数据的能耗Ecpu(k)为：
Pcpu(k)＝Ecpu×k (4)
其中，k为数据包的二进制长度，Eelec(nJ/bit)为射频电路的能耗系数，Eamp(nJ/bit/m2)为电路的放大器能耗系数，d为发送距离，γ为信号衰减指数，取值为2或4；
采用二次竞争法优化选取簇头：在第一轮竞争中，普通节点通过自身产生的随机数a(0<a<1)，与阈值A(n)比较，选出候选簇头节点；第二轮竞争中，候选簇头节点建立自己的邻居簇头节点集合Ich，与集合中的其余候选簇头通过权值wi再次竞争最终得到最优的簇头节点。
二次竞争法优化选取簇头包括以下具体步骤：
1)候选簇头的选取
在第一次竞争选取候选簇头时，将节点与基站之间的距离、节点自身能量考虑在内，提出距离因子和能量因子；
a)距离因子
无线通信能耗与通信距离有着很大的关系，根据发送数据和接收数据功率之间的关系，得到：
Pr＝(Pt/r)*n (5)
其中，r是节点间的距离，n是传播因子，与环境有关，Pr是接收功率，Pt是发送功率；
在簇头选举开始时，首先由基站发送广播，计算节点i自身与基站之间的距离dBi，同时将自己当前的能量信息返还给基站；由此得到节点i竞选簇头的距离因子：
Di＝(dBi-dm)/(dm-dn) (6)
其中Di是距离因子，dBi是节点i与基站之间的距离，dm是节点与基站之间最远的距离，dn是节点基站之间最近距离；
b)能量因子
原始的LEACH协议选择簇头时没有考虑能量因素，如果选到剩余能量较低的节点作为簇头，将会大大影响网络的生命周期，因此提出能量因子：
其中Ere是节点的剩余能量因子，Ec是节点的当前能量，Et是节点的初始能量；
候选簇头的选择依据为：
其中λ1、λ2为常数，且λ1+λ2＝1，在第一轮竞争中，每个节点选择一个随机数a(0<a<1)，如果a<A(n)，则该节点成为候选簇头节点，否则就进入休眠知道竞争结束，式(8)表明，只有以前的轮回中没有作过簇头的、能量消耗较少、距离基站较近的节点才能当选为本轮的候选簇头节点；
2)确定簇头节点
在经过第一次竞争选择出候选簇头后，首先建立每个候选簇头的邻居簇头集合，再根据相对能量和节点密度确定簇头竞争权值，继而经二次竞争最终确定簇头节点，先确定每个候选簇头节点的邻簇头节点集合
Ich＝{Ij/Ij是候选簇头，且d(Ii，Ij)＜R} (9)
在候选簇头第二次竞争过程中，候选簇头i的相对剩余能量Erei由式(7)得出，计算密度因子：
其中ρ为密度因子，ich是候选簇头i的邻居节点数，ist是按照完全均匀散布的标准簇中的节点的邻居节点数目，则候选簇头的竞争权值为：
wi＝αEre+βρ (11)
其中，α、β是权值因子，且α+β＝1，由此根据式(11)计算每个候选簇头的竞争权值；
在候选簇头第二次竞争中，每个候选簇头节点都以通信距离R相配合的功率发送广播，广播内容包括本节点id和节点竞争权值，每个候选簇头节点根据消息构建邻簇头集合Ich，根据权值大小确定最终的簇头，倘若候选簇头权值相同，则选择id小的作为簇头。
优选的，上述在确定簇头节点后，周围普通节点按照就近原则加入距离自己最近的簇，再对簇内通信进行优化：设C为簇头节点，A为普通节点，当族头节点到普通节点的距离D(A，C)＜D(A,Sink)时，则普通节点A采集到的数据就发送给簇头节点C，经过簇头节点的数据融合后，再发送到Sink；当族头节点到普通节点的距离D(A，C)＞D(A,Sink)时，则将节点A采集到的数据直接发送给Sink节点。
为了说明本发明的有益效果，进行如下仿真分析
为了验证改进后的方法有更好的性能，对改进后的I-LEACH方法进行Matlab仿真，并与传统算法在几个性能指标方面进行比较。
1仿真环境
仿真工具采用MATLAB2012a，表1给出了主要的参数。
表1主要参数
参数 给定值
部署区域 100m*100m
节点数 100
基站位置 (50,50)
节点原始能量 0.5J
收发电路能耗 50NJ/bit
放大器系数1 10PJ/bit*m
放大器系数2 0.0013PJ/bit*m
数据融合能耗 50NJ/bit
数据包大小 4000bit
簇头占比 0.05
2各项仿真参数比较
通过仿真对改进后的算法性能进行分析。
由图4所示，传统LEACH算法出现第一个死亡节点时大概是第200个周期，而改进算法I-LEACH在第300个周期左右才出现了第一个死亡节点，首个节点死亡时间延迟了大约100个周期。实验证明本发明提出的改进通信方法延长了第一个节点死亡时间，显而易见，改进后的通信方法拥有更大的网络生命周期。
由图5所示，当程序运行初始，两种算法节点耗费的能量相差不多。随着程序的运行，两种算法的总能量消耗都在增加，但改进后的算法增长的速度较慢，随着轮数的增加，改进后的算法能耗低的优势更加突出。
由图6所示，相同运行轮数的情况下，I-LEACH算法的数据吞吐量要远远大于原LEACH算法。因此可知改进后的I-LEACH算法在数据传输能力上得到很大提高。
因此，本发明针对无线传感器网络能量受限的问题，对其典型的LEACH路由算法进行了理论上的研究以及优化，提出了基于二次竞争选取簇头的方法，继而又对簇内通信进行了优化得到了改进I-LEACH通信方法，使用该通信方法能有效降低了网络的能量消耗，提高了网络的生命周期。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种改进的I-LEACH路由通信方法，其特征在于：该方法为：首先，在簇的形成阶段，根据阈值A(n)让剩余能量大，距离基站较近的节点有更大的概率当选为候选簇头节点，而后候选簇头节点建立自己的邻簇头节点集合，再根据能量因子和密度因子进行二次竞争，最终确定簇头节点，其次，簇头选择结束后，每个普通节点根据距离就近原则选择加入簇，成为簇内成员节点，其中一些成员节点与sink节点距离很近，就让这些节点直接和sink节点完成数据的交换，最后，正常进行数据的传输。
2.根据权利要求1所述的一种改进的I-LEACH路由通信方法，其特征在于：该方法中无线传感器网络活动节点的能耗主要由数据的收发能耗和数据处理能耗组成，节点发送kbits数据的能耗Ps(k)表示为：
PS(k)＝Eelec×k+Eamp×dγ×k (2)
节点接收kbits数据的能耗PR(k)为：
PR(k)＝Eelec×k (3)
节点分析和处理kbits数据的能耗Ecpu(k)为：
Pcpu(k)＝Ecpu×k (4)
其中，k为数据包的二进制长度，Eelec(nJ/bit)为射频电路的能耗系数，Eamp(nJ/bit/m2)为电路的放大器能耗系数，d为发送距离，γ为信号衰减指数，取值为2或4；
采用二次竞争法优化选取簇头：在第一轮竞争中，普通节点通过自身产生的随机数a(0＜a＜1)，与阈值A(n)比较，选出候选簇头节点；第二轮竞争中，候选簇头节点建立自己的邻居簇头节点集合Ich，与集合中的其余候选簇头通过权值wi再次竞争最终得到最优的簇头节点。
3.根据权利要求2所述的一种改进的I-LEACH路由通信方法，其特征在于：二次竞争法优化选取簇头包括以下具体步骤：
1)候选簇头的选取
在第一次竞争选取候选簇头时，将节点与基站之间的距离、节点自身能量考虑在内，提出距离因子和能量因子；
a)距离因子
根据发送数据和接收数据功率之间的关系，得到：
Pr＝(Pt/r)*n (5)
其中，r是节点间的距离，n是传播因子，与环境有关，Pr是接收功率，Pt是发送功率；
在簇头选举开始时，首先由基站发送广播，根据式(5)计算节点i自身与基站之间的距离dBi，同时将自己当前的能量信息返还给基站；由此得到节点i竞选簇头的距离因子：
Di＝(dBi-dm)/(dm-dn) (6)
其中Di是距离因子，dBi是节点i与基站之间的距离，dm是节点与基站之间最远的距离，dn是节点基站之间最近距离；
b)能量因子
计算能量因子：
其中Ere是节点的剩余能量因子，Ec是节点的当前能量，Et是节点的初始能量；
候选簇头的选择依据为：
其中λ1、λ2为常数，且λ1+λ2＝1，在第一轮竞争中，每个节点选择一个随机数a(0<a<1)，如果a<A(n)，则该节点成为候选簇头节点，否则就进入休眠知道竞争结束，之前的轮回中没有作过簇头的、能量消耗较少、距离基站较近的节点才能当选为本轮的候选簇头节点；
2)确定簇头节点
在经过第一次竞争选择出候选簇头后，首先建立每个候选簇头的邻居簇头集合，再根据相对能量和节点密度确定簇头竞争权值，继而经二次竞争最终确定簇头节点，先确定每个候选簇头节点的邻簇头节点集合
Ich＝{Ij/Ij是候选簇头，且d(Ii，Ij)＜R} (9)
在候选簇头第二次竞争过程中，候选簇头i的相对剩余能量Erei由式(7)得出，计算密度因子：
其中ρ为密度因子，ich是候选簇头i的邻居节点数，ist是按照完全均匀散布的标准簇中的节点的邻居节点数目，则候选簇头的竞争权值为：
wi＝αEre+βρ (11)
其中，α、β是权值因子，且α+β＝1，由此根据式(11)计算每个候选簇头的竞争权值；
在候选簇头第二次竞争中，每个候选簇头节点都以通信距离R相配合的功率发送广播，广播内容包括本节点id和节点竞争权值，每个候选簇头节点根据消息构建邻簇头集合Ich，根据权值大小确定最终的簇头，倘若候选簇头权值相同，则选择id小的作为簇头。
4.根据权利要求2或3所述的一种改进的I-LEACH路由通信方法，其特征在于：在确定簇头节点后，周围普通节点按照就近原则加入距离自己最近的簇，再对簇内通信进行优化：设C为簇头节点，A为普通节点，当族头节点到普通节点的距离D(A，C)＜D(A，Sink)时，则普通节点A采集到的数据就发送给簇头节点C，经过簇头节点的数据融合后，再发送到Sink；当族头节点到普通节点的距离D(A，C)＞D(A，Sink)时，则将节点A采集到的数据直接发送给Sink节点。
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