[发明专利]基于目标阈值约束的改进LEACH协议的簇头选择算法

说明书

本发明提供了一种基于目标阈值约束的改进LEACH协议的簇头选择算法，在满足目标与节点阈值约束的前提下，设计了包含节点与目标距离因子、节点与基站距离因子和节点剩余能量率等约束条件共同作用下的簇头选择改进算法。该算法首先根据监测区域所有节点与监测目标的位置关系确定候选观测节点集，之后在候选观测节点集中对节点进行随机性簇头选择。本发明改进了LEACH协议簇头选择的阈值公式，使剩余能量大且距离基站近的节点有更高的概率被选为簇头节点。因此，改进算法的簇头选择机制更加合理，能更有效的平衡和减少网络中节点的能量消耗，延长网络的生命周期。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络通信技术领域，具体而言，涉及一种基于目标阈值约束的改进LEACH协议的簇头选择算法。

背景技术

随着传感器技术、传感器制造工艺以及无线通信技术的快速发展，各种功能不同的微型传感器在嵌入式技术的支持下以自组织形式构成无线传感器网络(WirelessSensor Networks,WSN)。WSN被广泛应用在环境监测、智能家居、工业控制、医疗护理、军事战场等诸多应用领域中。WSN通常由大量能量有限且一次部署后能量不易补充的传感器节点组成，传感器节点大多随机部署在监测环境中，完成监测范围内目标的任务。为了高效合理的利用网络中传感器资源，在满足目标测量精度的前提下开启尽量少的传感器可以更高效的利用网络中的传感器资源节约能耗，而WSN的主要能耗分为通信能耗、感知能耗和计算能耗，其中通信过程的能耗最多。因此，网络中的路由设计就成了减少节点能耗的主要途径。

最早的基于分簇的低功耗自适应分层式路由协议是由MIT的Heinzelman等人在2000年提出的LEACH路由协议，该协议与一般的平面多跳路由协议和静态分层协议相比，可以将网络生命周期延长30％左右，更好的实现了动态网络的可扩展性和鲁棒性。LEACH协议是无线传感器网络中经典的低功耗自适应分簇结构算法，其在运行过程中不断地循环执行簇的重构，每个簇的重构过程即为“一轮”，在每轮中，可以分为两个阶段：簇的建立阶段和数据传输的稳定阶段。在簇的建立阶段，首先根据无线传感器网络中所需要的簇头节点总数和截至到当前轮每个节点已成为簇头节点的次数来决定簇头节点的选择，然后根据簇头节点网络中所有非簇头节点自组织形成相应的簇。在数据传输的稳定阶段，每一个簇内非簇头节点负责采集目标的数据信息并发送给所属簇的簇头节点，簇头节点接收非簇头节点发送的数据信息并将接收到的数据信息进行相关数据融合，然后将融合后的数据发送给基站，基站将数据传送给监控中心来进行后续数据的处理。为了减少分簇带来的额外能耗，数据传输的稳定阶段远远长于簇的建立阶段，稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，开始新一轮的簇头选择过程。LEACH协议是一种比较成熟且常用的分层路由算法，该算法可以有效地均衡无线传感器网络中的节点能量消耗，延长无线传感器网络的生命周期。

LEACH协议是无线传感器网络分簇算法的典型代表，是研究其他分簇路由协议的基础，与其他路由算法相比具有一定的优势，但是该算法仍然存在一些局限性：首先，LEACH协议没有考虑监测区域中的目标，对目标进行观测时不能高效的利用传感器资源。其次，LEACH算法在簇头选择过程中仅是依据网络中节点期望成为簇头的最优概率随机性的选择簇头，而没有考虑节点的剩余能量。最后，该协议也没有考虑监测范围内的节点的位置分布，可能出现簇头集中分布在网络某一区域的现象，从而导致节点能量消耗不均衡。以上因素都会影响网络中节点的能量消耗，进而影响网络整体的生存时间。

发明内容

本发明正是基于上述经典LEACH协议存在的缺点，提出了一种新的基于目标阈值约束的改进LEACH协议的簇头选择算法，能够在目标与节点阈值条件约束下，基于节点到基站和到目标的距离因子以及节点剩余能量率等条件同时约束下的改进LEACH算法，该算法使簇头选择机制更加合理，更有效的平衡网络中节点的能量消耗，延长网络的生命周期。

有鉴于此，本发明提出了一种新的基于目标阈值约束的改进LEACH协议的簇头选择算法，包括以下步骤：