基于leach協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，旨在均衡傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。本發(fā)明針對(duì)LEACH協(xié)議的不足，從簇頭選取、數(shù)據(jù)傳輸兩方面對(duì)LEACH協(xié)議做出改進(jìn)。每一輪簇頭選舉中，將節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余能量歸類進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)和警告區(qū)兩個(gè)區(qū)域，使得位于不同區(qū)域的節(jié)點(diǎn)以不同的概率當(dāng)選為本輪簇頭節(jié)點(diǎn)，從而保護(hù)能量相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)。在簇頭與基站的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)與基站距離的遠(yuǎn)近，采用單跳與多跳相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，降低了能量開(kāi)銷。本發(fā)明有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，均衡了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的性能。
【專利說(shuō)明】基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，屬于無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳輸構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，目的是實(shí) 時(shí)感知、監(jiān)測(cè)、采集和處理區(qū)域內(nèi)的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，并最終發(fā)送給終端用戶。無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量是由電池提供，節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間受到電池容量限制，因此，節(jié)能問(wèn)題一直是 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。基于此，設(shè)計(jì)高效低能耗的路由算法來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期，并 提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)非常重要。基于分簇的路由算法能夠有效延長(zhǎng) 網(wǎng)絡(luò)生存期和提高網(wǎng)絡(luò)利用率，目前，LEACH[4]路由算法是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分簇路由算 法的研究基礎(chǔ)。LEACH算法的全稱是"低功耗自適應(yīng)集群分層算法"(LowEnergyAdaptive ClusteringHierarchy)，LEACH算法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)區(qū)分為簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。其基本 思想是節(jié)點(diǎn)周期性地以一定概率成為簇頭節(jié)點(diǎn)，其他普通節(jié)點(diǎn)選擇較近的簇頭入簇，并在 自己所屬的時(shí)間片內(nèi)將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給本簇的簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn)接收并融合本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 來(lái)的數(shù)據(jù)并直接傳輸給基站。LEACH算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗平均分配到每個(gè)傳感器節(jié) 點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的，但也存在著一些不足：
[0003] 1)簇頭的選擇沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，這樣可能會(huì)導(dǎo)致剩余能量較少的節(jié)點(diǎn)被 選為簇頭，造成節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡。
[0004] 2)隨機(jī)選取簇頭的策略，可能導(dǎo)致簇頭分布不均和簇的大小不一致，使得簇頭能 量消耗不均，影響網(wǎng)絡(luò)整體能耗的均衡性。
[0005] 3)頻繁的選舉簇頭，需要節(jié)點(diǎn)之間大量的信息交換，增大了節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
[0006] 4)簇頭節(jié)點(diǎn)與基站之間采用單跳的方式直接通信，導(dǎo)致距離基站較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn) 耗能較多，從而加速了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，不適合在規(guī)模較大的傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。
[0007]HEED、EECS等算法都是基于LEACH的改進(jìn)算法，HEED算法以剩余能量和通信代價(jià) 為依據(jù)進(jìn)行簇頭選舉和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，EECS算法則是將節(jié)點(diǎn)剩余能量和簇頭到基站的距離 作為簇頭選舉和成簇階段的重要依據(jù)。它們都采用了單跳傳輸方式進(jìn)行通信，不能有效均 衡簇間能耗，也不適合在大規(guī)模的WSNs中應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中網(wǎng)絡(luò)能量消耗高、網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間短的技術(shù)問(wèn)題。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟一：確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼俺跏蓟簩⑺袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于一個(gè)正方形區(qū)域 內(nèi)，并作如下假設(shè)：基站位置固定，處于正方形區(qū)域的中心，能量無(wú)限；所有傳感器節(jié)點(diǎn)位 置也固定，位置信息已知，具有唯一的標(biāo)識(shí)，且具有相同的初始能量傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射功 率可調(diào)整，可根據(jù)傳輸功率和接收信號(hào)的強(qiáng)度確定兩節(jié)點(diǎn)間的距離；傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以 互相直接通信；
[0011] 步驟二：確定能耗模型：采用一階無(wú)線通信能量消耗模型；
[0012] 傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送k比特?cái)?shù)據(jù)到距離為d的位置，消耗的能量由發(fā)射電路損耗和功 率放大損耗兩部分組成，具體計(jì)算公式如下：

【權(quán)利要求】
1.基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼俺跏蓟簩⑺袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于一個(gè)正方形區(qū)域內(nèi)， 并作如下假設(shè)：基站位置固定，處于正方形區(qū)域的中心，能量無(wú)限；所有傳感器節(jié)點(diǎn)位置也 固定，位置信息已知，具有唯一的標(biāo)識(shí)，且具有相同的初始能量E tl ;傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率可 調(diào)整，可根據(jù)傳輸功率和接收信號(hào)的強(qiáng)度確定兩節(jié)點(diǎn)間的距離；傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以互相 直接通信； 步驟二：確定能耗模型：采用一階無(wú)線通信能量消耗模型； 傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送k比特?cái)?shù)據(jù)到距離為d的位置，消耗的能量由發(fā)射電路損耗和功率放 大損耗兩部分組成，具體計(jì)算公式如下： Ο?2，J〈 J0 忌(L υ kE^+k^,/ > dQ 上式中：Eele。為發(fā)射電路損耗能量；ε fs和ε mp為功率放大器的能耗系數(shù)；dQ表不距尚 閾值，取值為87. 5,如果傳輸距離< Cltl，則功率放大損耗采用自由空間模型；如果傳輸距離 > Cltl，則功率放大損耗采用多路徑衰減模型； 傳感器節(jié)點(diǎn)接收k比特?cái)?shù)據(jù)的能量消耗為： Eex (k) = kEelec ； 步驟三：區(qū)域劃分及簇頭選舉：每輪簇頭選舉之前，將傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為兩個(gè)不同的 區(qū)域：標(biāo)準(zhǔn)區(qū)和警告區(qū)； 如果傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量大于能量閥值Dwarning，則將該傳感器節(jié)點(diǎn)屬于標(biāo)準(zhǔn) 區(qū)，按照LEACH算法進(jìn)行簇頭選擇，LEACH的門限值T (n)_(l)等于LEACH算法的門限值 T (η)； 如果傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量小于能量閥值Dwarning，則將該傳感器節(jié)點(diǎn)屬于警告 區(qū)，參照LEACH算法進(jìn)行簇頭選擇，LEACH的門限值T (η)_(2)等于0. 1倍的LEACH算法的 門限值 Τ(η)，即 Τ(η)_(2) =0·1ΧΤ(η); 步驟四：能量閥值Dwarning更新： 每一輪簇頭選舉結(jié)束后，如果傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量值低于當(dāng)前Dwarning值，則該傳感 器節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送一警告信息，基站統(tǒng)計(jì)被警告?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的比例Ρ，如果P大 于設(shè)定的閥值Τ，T = 0. 2,則更新Dwarning值，基站向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播Dwarning信息，否則 不更新Dwarning值，基站也不向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播Dwarning信息； 步驟五：簇建立及簇內(nèi)通信：簇內(nèi)通信采用單跳方式傳輸，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)被選作簇頭 以后，向外發(fā)送簇頭廣播信息，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的簇頭廣播信息的信號(hào)強(qiáng)度大小決定 要加入哪個(gè)簇，然后向決定加入的簇的簇頭發(fā)送入簇請(qǐng)求，完成簇的建立后，簇頭為每個(gè)簇 內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配TDM時(shí)間表，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照該TDM表將數(shù)據(jù)以單跳方式傳輸給簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn) 收到簇內(nèi)所有數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合； 步驟六：數(shù)據(jù)發(fā)送：簇頭節(jié)點(diǎn)融合簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)所發(fā)的數(shù)據(jù)后，若簇頭到基站的距離< Cltl 或簇頭的候選中繼節(jié)點(diǎn)集合為空時(shí)，則直接與基站進(jìn)行單跳通信；若簇頭到基站的距離 > Cltl，則采用簇間多跳傳輸?shù)姆绞?，將?shù)據(jù)傳送給基站。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在 于，所述能量閥值Dwarning的具體計(jì)算方法如下： Dwarning---- · f(x) 其中α為一特定系數(shù)，α的值設(shè)定為0.7, Etl為節(jié)點(diǎn)的初始能量，f(x)為一關(guān)于X的 函數(shù)，其定義為： f(x)=-〈 10000 H-SX 其中η為網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)總數(shù)，X為一變量，表示Dwarning更新的次數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于LEACH協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在 于，所述的能量閥值Dwarning更新的具體操作方法如下： 基站內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)DI、D2兩個(gè)計(jì)數(shù)器； 基站每收到一個(gè)警告信息，計(jì)數(shù)器Dl加1，基站通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器Dl計(jì)算得知警告區(qū)內(nèi) 傳感器節(jié)點(diǎn)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的比例P ; 設(shè)定比例閥值T = 0. 2,如果警告區(qū)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的比例P超過(guò)20%，即 Ρ>Τ，則計(jì)數(shù)器D2加1，計(jì)數(shù)器D2的值就是Dwarning中X的值，隨著計(jì)數(shù)器D2的值不斷更 新，Dwarning不斷更新； Dwarning重新計(jì)算后，基站向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播Dwarning信息，計(jì)數(shù)器Dl清零，重新統(tǒng)計(jì) 警告區(qū)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，而計(jì)數(shù)器D2保存原有數(shù)值，不斷記錄Dwarning更新的次數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK104320796SQ201410589112
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】江冰, 吉正洵, 黃鹍, 胡鋼, 李麗芳, 周悅 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)