专利名称：一种基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法
技术领域：
本发明涉及一种簇头选举方法，尤其涉及一种基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法。
背景技术：
随着传感器、无线通信、分布式信息处理等高新技术的高速发展，无线传感器网络(WSN)已成为一个前沿热点的研究分支，并被美国商业周刊和MIT技术评论为21世纪最有影响的技术和改变世界的技术之一，同时也是我国“十一五”期间重点开展的研究领域之一。无线传感器网络是由随机分布在某一监测区域内的大量的廉价传感器通过自组织方式形成的网络，其作用就是协作感知、采集和处理网络覆盖区内的信息，并将这些信息发送给观察者。随着无线传感器网络理论和技术的不断成熟，其应用涉及军事、监控、应急、环境、防空、家用、企业管理、保健、交通等诸多领域。在无线传感器网络中，由于节点的能量有限，因此有效利用节点的能量，均衡网络中的节点能量的消耗，延长网络的生存周期就显得至关重要。对于拥有大量节点的无线传感器网络，分层的拓扑结构相对于平面结构有着显著的优势，在这种网络结构中，簇头承担簇内节点信息的收集和处理工作，再通过某种路由方式发送至基站。在众多的分簇算法中，LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy)算法是比较经典且常用的一种算法，它是一种基于簇的低能耗自适应的路由协议，其操作被分为若干轮，每轮包括簇的建立阶段和稳定的数据传输阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据传输阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果直接发送给基站。LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，但也存在许多的局限，如簇头分布不均，区域内出现监测盲点等。针对这些问题，过内外学者提出了许多的改进算法，如HEED(HybridEnergy Efficient Distributed)算法针对簇头分布不均这一问题,在簇头选择中考虑节点的剩余能量，并以主从关系引入了多个约束条件作用于簇头的选择过程，使产生分布更加均匀的簇头；LEACH-M算法提出了在远距离簇头与基站间借助于离基站较近的簇头，采用多跳的方法以节省能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，该方法参照节点剩余能量、节点与基站的距离、最优簇内节点数等多方面条件的双簇头选举方法，均衡网络中节点的能量消耗，延长网络的生命周期。本发明是这样来实现的，在整片监测区域内，每个传感器节点有自己唯一的标识ID，且节点不会随时间的推移而移动，任意两节点之间能相互通信，节点不知道自己的具体位置，但可以根据接收信号的强弱来计算它到发射点的近似距离。采用一阶无线通信能耗模型，模型基本由两个部分组成，分别是由功率放大器产生的能耗以及由射频电路产生的能耗。对于发送信号的节点，能量消耗由无线发送装置和放大器两部分产生；对于接收信号的节点，能量消耗源于接收装置所消耗的能量。传感器节点在传输距离为
时发送比特数据包所消耗的能量为
权利要求
1.一种基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，其特征在于:该方法主要包括两种簇头的选择；在主簇头的选举阶段，各节点根据自己的剩余能量及与基站的距离计算出自己的竞争值，自选为簇头向四周发送簇头撤销信号，接收到撤销信号的节点依据竞争值的大小判断是否撤销自己的簇头身份，已成为簇头的节点判断自己的簇内节点数是否超过最优簇内节点数，有选择性地由远及近排除多余的节点，一轮下来未入簇的普通节点重复此过程，直至在整个传感器区域内选择出所有主簇头，保证所有节点都入簇，使整个监测区域无监测盲点；在副簇头的选举阶段，整个传感器网络根据当前所有簇头的平均剩余能量、簇头与基站的平均距离以及簇内平均节点数计算出适于当前网络的主簇头需要产生副簇头的阈值，各簇头计算出自己当前产生副簇头的值并与阈值比较，判断是否有需要产生副簇头，在需要产生副簇头的簇内，主簇头选择簇内竞争值最高的节点作为副簇头，这种双簇头的选举方法，综合考虑了节点的剩余能量、与基站的距离、簇内最优节点数等多方面因素，能更加有效地均衡传感器网络中节点的能量消耗，延长网络的生存周期。
2.根据权利要求1所述的基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，考虑节点的剩余能量、簇头与基站的距离及簇内最优节点数，主簇头的选举步骤如下: 步骤1:所有节点将自己选为簇头，同时向四周发送簇头撤销信号，且撤销信号中包含节点ID ； 步骤2:收到撤销信号的节点判断自己的竞争值匕5.-@是否大于向其发送信号的节点，若是，保留簇头身份，反之，则撤销簇头身份，成为普通节点； 步骤3:普通节点判断向自己发送簇头撤销信号的节点中是否仍有簇头，若有，则根据撤销信号的强弱向最近的簇发送加入簇请求； 步骤4:簇头计算自己的簇内节点数并与簇内最优节点数[,Acw -mde比较，由远及近排除多余的节点； 步骤5:发现向自己发送簇头撤销信号的节点中没有簇头的普通节点与被排除节点重复以上步骤，直至选出所有的簇头。
3.根据权利要求1所述的基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，在整个传感器网络中，每个节点都有自己唯一的标识ID，且节点不会随时间的推移而移动，任意两节点之间能相互通信，节点不知道自己的具体位置，但可以根据接收信号的强弱来计算它到发射点的近似距离。
4.根据权利要求1所述的基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，采用一阶无线通信能耗模型，模型基本由两个部分组成，分别是由功率放大器产生的能耗以及由射频电路产生的能耗，对于发送信号的节点，能量消耗由无线发送装置和放大器两部分产生；对于接收信号的节点，能量消耗源于接收装置所消耗的能量，传感器节点在传输距离为rf时发
5.根据权利要求1所述的基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，一般来说，同等条件下，选择剩余能量越高、与基站距离越近的节点作为簇头更有利于均衡整个传感器网络的能量消耗，由此，可定义每个节点成为簇头的竞争值为:
6.根据权利要求1所述的基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，假定在有深个节点的JfxM的监测区域内，分布着fc个簇头，则每个簇内平均节点数为■ /*:,当基站距离监测区域较远时，能量衰减与距离的四次方成正比，则簇头消耗的能量为:
7.根据权利要求1所述的基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，参照簇头的剩余能量、簇头与基站的距离以及其簇内成员节点的数目三方面因素在某些簇内选举出一个副簇头，一般情况下，在簇头剩余能量低、簇头与基站的距离远以及簇内成员节点多的簇内需要增加副簇头，由此，可定义某个簇需要产生副簇头的值为:为簇头的剩余能量，为簇头的初始能量，dBm.为整个网络中离基站的最远距尚，为族头到基站的距尚，が；为族内成员节点数。
8.根据权利要求1基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，每个主簇头计算出自 己的值，当小于某个阈值! 时，选择簇内最大的节点作为该儀
全文摘要
一种基于节点竞争值及软阈值的双簇头选举方法，本方法中各无线传感器节点先根据自己的剩余能量、簇头与基站的距离计算出自己的竞争值，自选为簇头后向四周广播撤销信号，接收到撤销信号的节点依据竞争值的大小判断是否撤销自己的簇头身份，直至选择出所有主簇头。本发明保证所有节点都入簇，不会出现监测盲点；有选择性地在簇内选举出一个副簇头，分担主簇头的能量消耗，从而均衡网络中节点的能量消耗，延长网络的生命周期。
文档编号H04W40/10GK103209454SQ20131000332
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月6日 优先权日2013年1月6日
发明者廖小琴, 龙承志, 向满天, 虞贵财, 罗建平, 邹文生, 余尧毅, 周海 申请人:南昌大学