CN110662190B - 无线传感器网络中的动态分簇leach方法 - Google Patents

无线传感器网络中的动态分簇leach方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法。该方法包括：无线传感器网络中的节点接收到竞选簇头消息后，根据自身的配置参数信息计算出自己的簇头选举数值；节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头；收到簇头广播的非簇头节点自动加入距离自己最近簇头所在的簇。本发明的方法通过将节点的剩余能量、节点担任过簇头的次数和节点周围邻居节点三个因素进行数值量化加权计算簇头选择的阈值，保证选择的簇头更加适应网络具体情况，均衡了网络整体的能量消耗，提升网络通信QoS性能。

Description

无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法。
背景技术
近年来，随着物联网技术的发展，无线传感器的使用数量呈爆炸式增长，网络使用场景日益丰富，组网规模由小到大，对无线传感器网络的组网方式提出了新的要求。与传统的无线网络相比，无线传感器网络具有以下特点：以数据为中心、节点能力有限、网络规模大和自组织组网。因此，在进行无线传感器网络组网时，需要综合考虑数据的非均衡传输、通信能耗、负载均衡、网络拓扑与路由以及组网稳定性，满足无线传感器网络对于数据高效传输、提升通信服务QoS(Quality of Service，服务质量)、网络信息传输稳定和延长网络使用寿命的新需求。而无线传感器网络中的层次型组网拓扑相比于平面型组网拓扑而言，具有更好的场景适用性，网络传输信息可靠性和系统性能稳定性。
现有的多层分簇算法中动态分簇LEACH(低功耗自适应集簇分层型协议，LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy)算法最为常见，分簇就是把网络中的传感器节点分成不同的层级。对网络中的传感器节点进行层级的划分，将位置距离较近的一些节点划分到一个簇中，并且根据具体的簇头选取算法在一定的周期内为每个簇选取合适的簇头节点。每个簇内的成员节点把在监测区域感知到的数据传输给簇头节点，并由簇头节点将收集数据发送给基站，由基站做进一步的处理。LEACH是一种动态选取簇头算法。成簇的过程是周期性的，该协议定义了“轮(round)”的概念，每一轮循环分为成两个阶段，分别为簇的建立阶段和稳定运行阶段。在一轮中随机选择几个节点充当本轮的簇头节点，并且选取之后本轮不再更改，并把自己成为簇头节点的消息广播给其他节点，其他节点选择加入簇。每一轮循环结束之后，就会开始下一轮簇头的选取。簇的建立阶段选取簇头并构建簇结构，稳定运行阶段簇内节点把感知的数据传输给簇头节点，再由簇头传送给基站。
上述动态分簇LEACH算法的缺点为：LEACH算法的主要思想是簇头节点周期性轮流更换，以使网络中每个节点都轮流地充当簇头，不会导致个别节点的能量消耗过快。网络的生命周期也得到延长。但是LEACH簇头的选取完全是随机的，所以可能会选到剩余能量少的节点来充当簇头节点，导致簇头节点的能量过早的消耗完，降低网络的生命周期。同时LEACH随机选择簇头会导致几个簇头距离过近或者簇头位于部署区域的边缘，使得簇内节点与簇头距离较远。也会导致边缘区域分簇的簇头节点与基站通信距离较远，造成能量的大量消耗。
发明内容
本发明的实施例提供了一种无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法，以克服现有技术的缺点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法，包括：
无线传感器网络中的节点接收到竞选簇头消息后，根据自身的配置参数信息计算出自己的簇头选举数值T‘(n)；
所述节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头；
收到簇头广播的非簇头节点自动加入距离自己最近簇头所在的簇。
进一步地，所述的无线传感器网络中的节点接收到竞选簇头消息后，根据自身的配置参数信息计算出自己的簇头选举数值T‘(n)，包括：
无线传感器网络中的基站向所有节点广播开始竞选簇头消息；
各个节点收到上述竞选簇头消息后，收集节点自身的剩余能量、节点坐标、节点周围区域节点个数和担任过簇头次数信息，根据收集的信息计算出自己的簇头选举数值T‘(n)；
Figure GDA0003034968320000031
其中，rs为节点未当簇头的轮数，Ecurrent表示节点当前剩余能量，Emax为节点初始储能，Nx为节点周围区域节点个数，Nneighbor分簇内节点个数。
进一步地，所述的节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头,包括：
在选择簇头过程中每个节点随机生成簇头选择阈值T，T的范围为[0,1]；当所述节点的簇头选举数值T‘(n)介于[0,1]区间，节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头。
进一步地，所述的收到簇头广播的非簇头节点自动加入距离自己最近簇头所在的簇，还包括：
采用载波侦听多路访问CSMA随机存取机制在不同节点之间广播消息，收到某簇头广播的消息的非簇头节点自动加入该簇头所在的簇；如果节点收到多个簇头广播的消息，将多个簇头广播的消息的强度进行比较，加入强度最大的消息所对应的距离自己最近的簇头所在的簇。
进一步地，所述的节点为无线传感器。
进一步地，所述的方法还包括：
在各个非簇头节点都进入了簇头所在的簇后，分簇形成完成，进入分簇的稳定阶段，分簇内节点将采集的数据信息发送到分簇簇头节点，并通过分簇簇头最终发送到基站处；
在分簇的稳定阶段的运行过程中，分簇簇头每隔设定的时间间隔判断自己的剩余能量是否低于设定能量阈值，如果是，分簇簇头自己或者通过基站向外广播开始竞选簇头消息，进行新的一轮簇头的选择和分簇的处理过程。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出的无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法通过全面考虑影响簇头的因素，优化LEACH算法中的簇头选择方式，将节点的剩余能量、节点担任过簇头的次数和节点周围邻居节点三个因素进行数值量化加权计算簇头选择的阈值，保证选择的簇头更加适应网络具体情况，均衡了网络整体的能量消耗，延长网络的整体使用寿命，降低簇头节点负载，提升网络通信QoS性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法的处理流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例针对现有动态分簇LEACH算法存在的簇头节点选择方式不合理、算法传输时延大、网络负载不均衡和网络生存寿命短等问题，提出了一种LEACH协议的改进算法，通过全面考虑影响簇头的因素，优化LEACH算法中的簇头选择方式，将节点的剩余能量、节点担任过簇头的次数和节点周围邻居节点三个因素进行数值量化加权计算簇头选择的阈值，保证选择的簇头更加适应网络具体情况，从而达到均衡网络整体的能量消耗，延长网络的整体使用寿命，降低簇头节点负载，提升网络通信QoS性能的目的。
本发明实施例提供的一种无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法的处理流程图如图1所示，包括如下的处理步骤：
步骤S10、无线传感器网络中的基站向所有节点广播开始竞选簇头消息，上述节点可以为无线传感器。
步骤S20、分簇的执行过程按“轮”(round)周期性地进行，整个拓扑结构的形成过程分为很多轮，每一轮都会选取新的簇头。每一轮包括两个阶段，分别为：簇的建立阶段和簇的稳定阶段。
在簇的建立阶段，首先选择出分簇簇头。各个节点收到上述竞选簇头消息后，收集节点自身的剩余能量、节点坐标、节点周围区域节点个数和担任过簇头次数等配置参数信息。然后，各个节点根据收集的配置参数信息计算出自己的簇头选举数值T‘(n)
Figure GDA0003034968320000061
其中，rs为节点未当簇头的轮数，Ecurrent表示节点当前剩余能量，Emax为节点初始储能，Nx为节点周围区域节点个数，Nneighbor分簇内节点个数，p是网络中簇头数目占总节点数目的百分比。在第一轮的簇头选举过程中，网络的簇头选择是按照距离基站位置或者节点分布的几何中心位置的节点作为簇头，然后按照距离的远近将其他节点划分到对应的簇头内形成分簇。
本领域技术人员应能理解上述簇头选举数值的计算方法仅为举例，其他现有的或今后可能出现的簇头选举数值的计算方法如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
预先设定簇头选择阈值，簇头选择阈值T是在选择簇头过程中每个节点随机生成的一个数值，T的范围为[0,1]。
当上述节点的簇头选举数值T‘(n)介于[0,1]区间，节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头。
在分簇形成过程中，这个过程中保证每一个节点至少每轮成为一次簇头。
步骤S30、为防止多个簇头的广播发生碰撞，节点之间的广播消息采用CSMA(Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问)的随机存取机制。收到某簇头广播的消息的非簇头节点自动加入该簇头所在的簇；如果节点收到多个簇头广播的消息，将多个簇头广播的消息的强度进行比较，加入强度最大的消息所对应的簇头所在的簇。
步骤S40、在各个非簇头节点都进入了簇头所在的簇后，分簇形成完成，进入分簇的稳定阶段。分簇内节点将采集的数据信息发送到分簇簇头节点，并通过分簇簇头最终发送到基站处。
在分簇的稳定阶段的运行过程中，分簇簇头每隔设定的时间间隔判断自己的剩余能量是否低于设定能量阈值时，如果是，分簇簇头自己或者通过基站向外广播开始竞选簇头消息，于是进行新的一轮簇头的选择和分簇，重新执行上述步骤S20-步骤S40的处理过程。
综上所述，本发明实施例提出的无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法通过全面考虑影响簇头的因素，优化LEACH算法中的簇头选择方式，将节点的剩余能量、节点担任过簇头的次数和节点周围邻居节点三个因素进行数值量化加权计算簇头选择的阈值，保证选择的簇头更加适应网络具体情况，均衡了网络整体的能量消耗，延长网络的整体使用寿命，降低簇头节点负载，提升网络通信QoS性能。
本发明通过对节点当前剩余能量的考虑，将整个网络的剩余能量分布更加均衡化，在前一轮中距离簇头较近的部分传感器节点剩余能量较高，相对应的能量级别也提升，成为下一轮的分簇簇头概率增加，从而避免选择剩余能量较低的传感器节点成为分簇簇头导致网络中过快出现失效节点。同时考虑到分簇内的节点分布及各个节点周围邻居节点数的不同，也会对网络生存周期产生影响。与上述对于节点能量的分析相同，节点周围的邻居节点数目的多少可以代表节点的分布密度和节点的重要程度。当节点周围邻居节点数目多时，说明此节点成为分簇簇头后的分簇内节点密度大，分簇内的信息数据传输也相应的变多。因此为了保证网络中的各个分簇的能量均衡，需要使密集分布区域比稀疏分布的区域产生更多的簇头，并且每个分簇内的节点分布密度大致相同。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络中的动态分簇LEACH方法，其特征在于，包括：
无线传感器网络中的节点接收到竞选簇头消息后，根据自身的配置参数信息计算出自己的簇头选举数值T‘(n)；所述的节点为无线传感器；
所述节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头；
收到簇头广播的非簇头节点自动加入距离自己最近簇头所在的簇；
所述的无线传感器网络中的节点接收到竞选簇头消息后，根据自身的配置参数信息计算出自己的簇头选举数值T‘(n)，包括：
无线传感器网络中的基站向所有节点广播开始竞选簇头消息；
各个节点收到上述竞选簇头消息后，收集节点自身的剩余能量、节点坐标、节点周围区域节点个数和担任过簇头次数信息，根据收集的信息计算出自己的簇头选举数值T‘(n)；
Figure FDA0003034968310000011
其中，rs为节点未当簇头的轮数，Ecurrent表示节点当前剩余能量，Emax为节点初始储能，Nx为节点周围区域节点个数，Nneighbor分簇内节点个数,p是网络中簇头数目占总节点数目的百分比；
所述的收到簇头广播的非簇头节点自动加入距离自己最近簇头所在的簇，还包括：
采用载波侦听多路访问CSMA随机存取机制在不同节点之间广播消息，收到某簇头广播的消息的非簇头节点自动加入该簇头所在的簇；如果节点收到多个簇头广播的消息，将多个簇头广播的消息的强度进行比较，加入强度最大的消息所对应的距离自己最近的簇头所在的簇；
在各个非簇头节点都进入了簇头所在的簇后，分簇形成完成，进入分簇的稳定阶段，分簇内节点将采集的数据信息发送到分簇簇头节点，并通过分簇簇头最终发送到基站处；
在分簇的稳定阶段的运行过程中，分簇簇头每隔设定的时间间隔判断自己的剩余能量是否低于设定能量阈值，如果是，分簇簇头自己或者通过基站向外广播开始竞选簇头消息，进行新的一轮簇头的选择和分簇的处理过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头,包括：
在选择簇头过程中每个节点随机生成簇头选择阈值T，T的范围为[0,1]；当所述节点的簇头选举数值T‘(n)介于[0,1]区间，节点将自己的簇头选举数值T‘(n)与预先设定的簇头选择阈值T进行比较，如果T‘(n)＜T，则该节点宣布自己成为簇头节点，该节点以广播的形式告诉其它节点自己是簇头。
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