一种基于等量线模型的能量优化路由方法技术

一种基于等量线模型的能量优化路由方法，涉及一种无线传感器网络优化方法，本发明专利技术在LEACH协议的基础上提出了基于节点剩余能量和位置的无线传感器网络节能的优化分簇算法。在簇首的选取机制上，根据等量线上节点到sink和最小剩余能量节点的距离综合考虑确定簇头。保证了让高能量节点担任簇头，避免了低能量节点被选为簇头的可能性，同时也避免了最小剩余能量的节点因距离簇首较远，而在传输信息过程中过早死亡，也降低了簇头到汇聚节点的能量消耗，减少了簇内节点不必要的能量消耗，有利于节点能量的同步消耗，从而有效的延长了整个网络的生命周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线传感器网络优化方法，特别是涉及一种基于等量线模型的能量优化路由方法。
技术介绍
无线传感器网络的问题主要可以归类为两大问题，一是通信带宽问题，二是节点能量问题。传感器网络属于自组网络，在部署完毕后，节点无人照管，处于自生自灭的状态。受环境因素的影响，更换电池或给电池充电都是不可能的。因此采用有效的节能协议，减少每个传感器的能耗，延长传感器网络的生存周期，是在设计无线传感器网络路由协议时，要重点实现的目标。由于传感器节点分布的高密度性，节点相互之间距离很近，数据具有很大的相关性，所以，适宜采用分簇（也称为簇头）结构，其优点是数据可以进行数据融合，减少传送到基站的数据量。在每个簇中，各个成员节点将采集到的数据发送给一个簇头节点，簇头将数据进行融合，然互将本簇的数据传送到基站。目前，无线传感器网络通过寻找发送信息的源节点和目的节点的多跳路径，实现数据包沿着优化的路径正确转发是无线传感器网络路由协议的主要功能。为了实现有效能量的高效利用，现存的路由协议试图通过寻找最少的能量消耗路径来优化节点的能量利用。然而，在设计路由协议时，只关注能量消耗的效率是不全面的，因此我们专利技术了一种基于等量线模型的能量优化路由协议-I_LEACH。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于等量线模型的能量优化路由方法，该专利技术是针对LEACH路由协议选取的簇头分布不均匀的特点所提出的一种能量优化路由方法。该方法可以有效的延长网络的生命周期，降低网络能耗，减缓剩余能量较小的节点过早死亡的时间，避免造成能量空洞，而使整个网络过早死亡。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于等量线模型的能量优化路由方法，所述方法包括等量线模型的建立过程、I_LEACH协议簇头选取机制；等量线模型的建立过程包括对LEACH簇头选择算法进行了设计，即将节点剩余能量相近的节点划分在一条线上，在簇头选取的过程中优先选取高能量线上的节点作为簇头，从而起到保护低能量节点的目的，特别是保护高能量区域内的低能量节点；使数据包通过高效率高能量的簇头传输至汇聚节点，使数据传输具有高效率，高均衡性；I_LEACH协议簇头选取机制包括在一个簇内，根据节点的剩余能量将能量相近的节点依据等量线划分等级（允许的浮动范围），选取高等量线上的各个节点与其到sink节点和最小剩余能量的节点依据公式（5）选取簇头；；其中，表示高等量线上的某一节点到最小剩余能量节点的距离；表示高等量线上的某一节点到sink节点的距离；表示等量线划分时允许两个节点的剩余能量之间的差值；根据等式（5）的计算，当时所对应的节点即被选作簇头节点。所述的一种基于等量线模型的能量优化路由方法，所述簇头产生后，下一轮的选取则根据簇头内节点数量、簇头节点和成员节点的能量消耗数值等实时因素动态确定。本专利技术的优点与效果是：本专利技术在LEACH协议的基础上提出了基于节点剩余能量和位置的无线传感器网络节能的优化分簇算法。在簇首的选取机制上，根据等量线上节点到sink和最小剩余能量节点的距离综合考虑确定簇头。保证了让高能量节点担任簇头，避免了低能量节点被选为簇头的可能性，同时也避免了最小剩余能量的节点因距离簇首较远，而在传输信息过程中过早死亡，也降低了簇头到汇聚节点的能量消耗，减少了簇内节点不必要的能量消耗，有利于节点能量的同步消耗，从而有效的延长了整个网络的生命周期。通过实验也表明了，优化后的I_LEACH协议可以有效的延长网络的生存时间，延长了节点的死亡时间。附图说明图1为LEACH簇形成算法流程图；图2为ILEACH算法选取簇头的工作流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术等量线模型的建立过程的描述：在LEACH协议中，节点担任簇头是严格等概率的，能量小的节点和能量大的节点做簇头的概率完全相同。担当簇头节点的能量消耗比簇内普通节点要大的多，而能量较低的节点一旦选作簇头，很容易耗尽能量而失效。一段时间后，会使簇头分布不均匀。随机选择机制不利于网络生命周期的延长，且簇头一旦失效，整个簇都无法通信，不利于网络的健壮性，同时也不利于全网负载的均衡。此外，在LEACH协议运行一定轮之后，网络中各个节点的剩余能量级别将会不平衡。对于那些剩余能量远远低于网络平均能量级别的节点来说，如果它们继续被选中作为簇头，或者在当前轮它们离各自的簇头很远，它们很有可能因为数据传输而耗尽自己的能量成为死亡节点，大量的失效节点的出现将会大大降低整个传感器网络的网络生命周期和协议的有效性。LEACH的簇头选择方法不能够将能量负荷均匀的分配给网络中的传感器节点，从而不能使网络的能量消耗最小。所以，这里就面临一个重要的问题，对于每个传感器节点来说，与哪个簇头进行通信才能使传感器消耗的总能量最小，怎样选择簇头才能使网络中每个节点消耗的能量均衡。为了解决这个问题，对LEACH簇头选择算法进行了改进。等量线模型的基本原理：在物理学中，场的概念随处可见。在静电场的描绘中，通常采用的方法是用一对电极产生的恒定电流模拟一对等量异种电荷产生的静电场。直接测电流场有一定的困难，而借助电压表可以测出电场中一系列的等势点进而画出等势线，最后画出电场线。因此，借用等势线的概念，提出等量线，即将节点剩余能量相近的节点划分在一条线上，在簇头选取的过程中优先选取高能量线上的节点作为簇头，从而起到保护低能量节点的目的，特别是保护高能量区域内的低能量节点。使数据包通过高效率高能量的簇头传输至汇聚节点，使数据传输具有高效率，高均衡性。图1.LEACH簇形成算法流程图。I_LEACH协议簇头选取机制的描述：在无线传感器网络的初期，采用随机的方式来产生簇头，所有节点随机选取0至1的数值，与T(n)进行比较，T(n)按照公式（1）计算。此时查询节点的状态表，如果该值大于阈值T(n)，则成为簇头。这些节点将向周围节点广播信息，接着进入簇的生成阶段。第二轮就是以高等量线上且距离sink节点和剩余能量最小的节点较近的节点为簇头。在各个节点接收到簇头选取消息后，将当前剩余能量，本轮通信阶段节点的能量消耗等参数传送给簇头。然后依据等量线的原理将节点划分等级，节点剩余能量的计算方法采用LEACH中使用的能量消耗公式。即在数据传输过程中，发送节点的能量消耗为：其中，l为发送数据的比特数，d为发送节点与接收节点之间的距离，为发送节点电路的能量消耗系数，当传输距离小于阈值时，功率放大损耗采用自由空间模型，表示该模型下功率放大损耗的能量；当传输距离大于等于阈值时，功率放大损耗采用多路径衰减模型，表示该模型下功率放大损耗的能量。接收节点的能量消耗为：其中表示节点的初始能量。在一个簇内，根据节点的剩余能量将能量相近的节点依据等量线划分等级（允许浮动范围），选取高等量线上的各个节点与其到sink节点和最小剩余能量的节点依据公式（5）选取簇头。其中，表示高等量线上的某一节点到最小剩余能量节点的距离；表示高等量线上的某一节点到sink节点的距离；表示等量线划分时允许两个节点的剩余能量之间的差值。根据等式（5）的计算，当时所对应的节点即被选作簇头节点。新簇头产生后，下一轮的选取则根据簇头内节点数量、簇头节点和成员节点的能量消耗数值等实时因素动态确定。图2是ILEACH算法选取簇头的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于等量线模型的能量优化路由方法，其特征在于，所述方法包括等量线模型的建立过程、I_LEACH协议簇头选取机制；等量线模型的建立过程包括对LEACH簇头选择算法进行了设计，即将节点剩余能量相近的节点划分在一条线上，在簇头选取的过程中优先选取高能量线上的节点作为簇头，从而起到保护低能量节点的目的，特别是保护高能量区域内的低能量节点；使数据包通过高效率高能量的簇头传输至汇聚节点，使数据传输具有高效率，高均衡性；I_LEACH协议簇头选取机制包括在一个簇内，根据节点的剩余能量将能量相近的节点依据等量线划分等级（允许的浮动范围），选取高等量线上的各个节点与其到sink节点和最小剩余能量的节点依据公式（5）选取簇头；；其中，表示高等量线上的某一节点到最小剩余能量节点的距离；表示高等量线上的某一节点到sink节点的距离；表示等量线划分时允许两个节点的剩余能量之间的差值；根据等式（5）的计算，当时所对应的节点即被选作簇头节点。

【技术特征摘要】
1.一种基于等量线模型的能量优化路由方法，其特征在于，所述方法包括等量线模型的建立过程、I_LEACH协议簇头选取机制；等量线模型的建立过程包括对LEACH簇头选择算法进行了设计，即将节点剩余能量相近的节点划分在一条线上，在簇头选取的过程中优先选取高能量线上的节点作为簇头，从而起到保护低能量节点的目的，特别是保护高能量区域内的低能量节点；使数据包通过高效率高能量的簇头传输至汇聚节点，使数据传输具有高效率，高均衡性；I_LEACH协议簇头选取机制包括在一个簇内，根据节点的剩余能量将能量相近的节点依据等...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，张亚君，徐万一，马德朋，
申请(专利权)人：沈阳化工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21