基于能耗最優(yōu)的leach協(xié)議的改進(jìn)

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1、基于能耗最優(yōu)的LEACH協(xié)議的改進(jìn)摘要：針對(duì)LEACH協(xié)議在簇頭選取、數(shù)據(jù)通信方面的不足，提出改進(jìn)后的Ad-LEACH協(xié)議。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分類，修正簇頭當(dāng)選概率，使簇頭選取均衡了能耗、距離、節(jié)點(diǎn)密度的影響。通過節(jié)點(diǎn)位置模糊匹配的方法將全網(wǎng)劃分為若干個(gè)均勻大小的網(wǎng)格。數(shù)據(jù)傳輸階段以能景利用率最高為目的，基于最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，Ad-LEACH協(xié)議存效降低和均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，達(dá)到了能耗最優(yōu)的目的。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACII協(xié)議；簇頭選??；模糊匹配；網(wǎng)格；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；能耗最優(yōu)中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(

2、WirelessSensorNetwork,WSN)是一種新興的信息感知和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)人與物理世界的通信和信息交互，在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，且往往部署于惡劣的、人類難以到達(dá)的環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)電能耗盡后難以補(bǔ)充和更換，因此能耗問題是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和發(fā)展的首要問題。路由協(xié)議是組網(wǎng)的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，改進(jìn)適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可以有效降低節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。LEACH協(xié)議(低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議，LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)是具

3、有代表性的層次路由，采用區(qū)域集中控制的方法，從各區(qū)域節(jié)點(diǎn)中選岀簇頭，通過簇頭向基站轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)信息，與直接傳輸、最小傳輸能量等路由相比較，可以有效降低節(jié)點(diǎn)能耗［2-3］。LEACH協(xié)議執(zhí)行過程中，由于部分節(jié)點(diǎn)耗能過快、過早死亡會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)不完全聯(lián)通，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，因此網(wǎng)絡(luò)能耗不均是LEACH協(xié)議需要解決的首要問題。2LEACII協(xié)議2.1協(xié)議原理及分析LEACH協(xié)議按“輪”周期執(zhí)行，每輪包括簇頭選取、簇的形成和數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)階段。在簇頭選取階段，各節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)介于（T1的隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)大于本輪的閾值，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭。簇頭選取完成后，簇頭向周圍節(jié)點(diǎn)

4、廣播通告自身的簇頭狀態(tài)、ID和本簇的分組頭。周圍節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度確定加入最近距離的簇，并將自身和簇頭的ID通知相應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭以TDMA方式安排簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間調(diào)度，節(jié)點(diǎn)按分配的時(shí)隙將數(shù)據(jù)傳送給簇尖，簇炙將數(shù)據(jù)包去冗處理后，按照不同的CDMA代碼直接發(fā)送給基站。LEACII協(xié)議中，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)僅在分配的時(shí)隙內(nèi)開啟無線發(fā)送裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其余時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，大量節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能耗；同時(shí)，簇尖在發(fā)送數(shù)據(jù)前經(jīng)過去冗處理，減小了發(fā)送開銷。但LEACH協(xié)議的簇頭選取沒有考慮參選節(jié)點(diǎn)自身的因素，僅依靠隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，造成簇頭分布不均、簇的規(guī)模差

5、異大、簇頭能耗不均；數(shù)據(jù)傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)能耗與距離呈指數(shù)增長，距離基站遠(yuǎn)處的簇頭消耗很大能量直接發(fā)送數(shù)據(jù)至基站，造成能耗過快、過早死亡。2.2協(xié)議相關(guān)研宄針對(duì)LEACH協(xié)議的不足，近年來許多學(xué)者進(jìn)行了研究和改進(jìn)。針對(duì)簇尖選取、分布不合理，喬俊峰等在文獻(xiàn)［4］中根據(jù)節(jié)點(diǎn)密度劃分簇規(guī)模，劉玉華等在文獻(xiàn)［5］中結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量和距離等因素改進(jìn)閾值公式，唐甲東在文獻(xiàn)［6］中結(jié)合剩余能景和節(jié)點(diǎn)密度采用閾值，這些改進(jìn)從一個(gè)方面或者多個(gè)方面優(yōu)化了簇頭節(jié)點(diǎn)的當(dāng)選條件，但是對(duì)影響因子歸納和定量的全面性存在一定不足。在簇的形成階段，祁飛等在文獻(xiàn)［7］中劃分了子網(wǎng)并在子

6、網(wǎng)內(nèi)均勻分簇，蔣暢江等在文獻(xiàn)［8］中通過減小靠近基站的成簇半徑實(shí)現(xiàn)非均勻分簇，石為人等在文獻(xiàn)［9］中提出簇頭競爭半徑自適應(yīng)調(diào)節(jié)成簇的方法，這些改進(jìn)與簇頭選取方案相適應(yīng)，共同達(dá)到均衡簇頭能耗的H的。在數(shù)據(jù)傳輸策略上，李雅卿等在文獻(xiàn)［10］中采用貪婪算法形成多跳的數(shù)據(jù)傳輸路徑，王國芳等在文獻(xiàn)［11］中提出結(jié)合剩余能量選擇中間節(jié)點(diǎn)的簇首多跳算法，張瑞華等在文獻(xiàn)［12］中利用位置信息選擇能耗最小的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)簇頭，這些成果表明，LEACH協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)該由單跳改進(jìn)為多跳或者單多跳結(jié)合，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇也要以能耗最小為目標(biāo)。還有一些研宄者討論了多跳路由中距離

7、和能量的關(guān)系，郭書城等在文獻(xiàn)［13］中提出能距比的概念并計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的最佳發(fā)送距離，李小亞等在文獻(xiàn)［14］中討論了單多跳路由節(jié)能優(yōu)勢的臨界距離［4-14］。AD-LEACH協(xié)議是在以上研宄的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響簇頭分布的因素，細(xì)分了節(jié)點(diǎn)的類型，進(jìn)行閾值的改進(jìn)。在簇的形成階段，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身坐標(biāo)計(jì)算所屬簇的矩陣二維值，通過匹配方式將網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)均勻的網(wǎng)格。數(shù)據(jù)傳輸采用單多跳結(jié)合的方式，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選取結(jié)合了最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離和剩余能量，可調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)收斂的速度，較好地解決了簇頭分布和網(wǎng)絡(luò)能耗不均的問題。3Ad-LEACH協(xié)議3.1簇頭選取過程影響簇頭在網(wǎng)絡(luò)分布和能耗

8、的因素主要有節(jié)點(diǎn)能景、和基站的距離、節(jié)點(diǎn)密度等。簇失節(jié)點(diǎn)必須具有足夠高的能量，用以處理和轉(zhuǎn)發(fā)本簇?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)簇頭的分布需要考