基于能量和距離的WSN自適應(yīng)分簇算法.pdf

《基于能量和距離的WSN自適應(yīng)分簇算法.pdf》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第36卷第1期東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)V01．36．No．12016年2月JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．．20l6文章編號：1005—2992(2016)01—0082—05基于能量和距離的WSN自適應(yīng)分簇算法孫增友，周池(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限且難以補(bǔ)充，為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。在LEACH算法分簇結(jié)構(gòu)的不足的基礎(chǔ)上，提出一種自適應(yīng)的最優(yōu)簇首數(shù)計(jì)算方式，綜合考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的能量及距離，對閾值公式(n

2、)進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)分析，本文提出的算法較LEACH算法節(jié)點(diǎn)存活率更高，網(wǎng)絡(luò)生命周期顯著延長。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH；分簇中圖分類號：TP212．9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A為了最大化的延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)的生命周期，學(xué)者們設(shè)計(jì)了多種層次路由協(xié)議以充分利用網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量¨。經(jīng)典LEACH算法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)以相同的概率隨機(jī)地被選為簇首，在一定程度上，這種算法能防止某個(gè)節(jié)點(diǎn)損耗過高，均衡了網(wǎng)絡(luò)整體能耗。但該算法不能保證每輪的分簇?cái)?shù)量達(dá)到最佳。同時(shí)，由

3、于簇首的選擇未考慮節(jié)點(diǎn)的能量和地理位置信息，簇首可能會集中分布于監(jiān)測區(qū)域的某一處，造成個(gè)別簇首覆蓋的監(jiān)測區(qū)域面積較大，負(fù)擔(dān)的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，能量消耗較大而過早死亡。文獻(xiàn)[3]提出了一種新型的白適應(yīng)最佳分簇算法，選取能量較大的節(jié)點(diǎn)作為簇首，從而保護(hù)剩余能量少的節(jié)點(diǎn)，該算法在一定程度上提升了網(wǎng)絡(luò)性能，但是算法未考慮節(jié)點(diǎn)位置，小范圍區(qū)域內(nèi)可能當(dāng)選大量簇首，使簇首分布不均勻，易形成網(wǎng)絡(luò)空洞。因此，本文在考慮網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量和位置的基礎(chǔ)上，通過閾值T(n)的重新定義對LEACH協(xié)議的簇首選擇過程進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體功耗的降低，

4、從而提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。1WSN系統(tǒng)模型和能量模型1．1WSN系統(tǒng)模型本文考慮簇首節(jié)點(diǎn)通過單跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式與基站直接通信，采用文獻(xiàn)[3]的系統(tǒng)模型，用一個(gè)無向加權(quán)圖G表示其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G={V，E}，為傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的集合V={131：??}。1．2能耗模型本文采用文獻(xiàn)[4]的能耗模型，當(dāng)發(fā)送和接收lbit數(shù)據(jù)時(shí)，能耗公式如下：2，：㈩E(1)=E一(1)=IE，(2)Ef：E+E，(3)收稿日期：2015—06—05作者簡介：孫增友(1963一)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院高級工程師，碩士生導(dǎo)師，主要

5、研究方向：無線通信、電力系統(tǒng)通信．第1期孫增友等：基于能量和距離的WSN自適應(yīng)分簇算法83其中，d為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離；rt為信道衰減指數(shù)，取值范圍為[2，5]；為單位放大功率；唧為多徑衰落模型的單位放大功率；E婦為發(fā)送或接收單位拙數(shù)據(jù)的能耗。2分簇路由算法2．1確足最佳蔟酉數(shù)分簇?cái)?shù)量的多少對網(wǎng)絡(luò)能耗產(chǎn)生影響，每輪的分簇?cái)?shù)量過多，可能會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的能量過多，失去了分簇的意義；分簇?cái)?shù)量過少，簇頭節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)增大，能量消耗較快，容易過早死亡。因此，本文假設(shè)在一個(gè)m×m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布Ⅳ個(gè)節(jié)點(diǎn)，被均勻分成個(gè)

6、簇，則每個(gè)簇內(nèi)有個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中含1個(gè)簇首和譬}c一1個(gè)成員節(jié)點(diǎn)。根據(jù)公式(1)(2)可計(jì)算半徑為f＼r=、，77．c1I的區(qū)域內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)與成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收lbit數(shù)據(jù)時(shí)的能耗分別為：Ech=zN一)Eezec+N如+Eelec一嬲]，(4)E。一^=z×(E+—d一)，(5)因此，可計(jì)算一個(gè)簇的總能耗為：=+(譬-1)?一z[(一)E~zec+iNE如+Eelec+唧d4一s+N(E出+d一2刪)】=f【如+也+]．㈤推出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗為：Etotal[如++iN2一】=I[2NE婦+NE如+如+Ⅳ一刪1，(7)為了使網(wǎng)絡(luò)總

7、能耗最小，則OEtotal——：0．f8)d為節(jié)點(diǎn)到基站的距離，設(shè)基站坐標(biāo)為(。，yo)，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(，)，則d：、．(9)d,o-刪節(jié)點(diǎn)與簇頭的距離，為2m=)p仃r日，(10)。則式(8)即：NFII2唧一一=o，(11)得277-√，＼／意d·、—’由式(12)可知，最優(yōu)簇首數(shù)由網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)決定。然而，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的耗盡，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)在不斷減少，節(jié)點(diǎn)數(shù)目也在不斷變化．因此本文用當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)代替東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)第36卷網(wǎng)絡(luò)初始節(jié)點(diǎn)數(shù)，提出自適應(yīng)最優(yōu)簇首數(shù)計(jì)算公式，即：√√·通過能量消耗

8、與節(jié)點(diǎn)位置求得的最優(yōu)簇頭數(shù)目，結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的動態(tài)變化過程，與leach原有的隨機(jī)簇首數(shù)相比，更有助于降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。2．2簇首選取LEACH算法進(jìn)行簇首選取時(shí)，每輪開始時(shí)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)[0，1]的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于閾值T(n)，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首P7’(n)=1O但是，LEACH算法在選取