一種基于剩余能量的LEACH算法改進-論文.pdf

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1、2014年第6期信息通信2014(總第138期)1NFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum．No138)一種基于剩余能量的LEACH算法改進朱曉蓉(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210031)摘要：分析了LEACH(Low—EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)路由協(xié)議，提出了一種改進算法。該算法在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，同時考慮到節(jié)點剩余能量與初始能量的比值，對簇首的選舉概率加以改進，修正了原協(xié)議的簇首選舉概率公式。在改進公式中選擇不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，分別進行了模擬仿真試驗。結(jié)果表明，改進后

2、的算法降低了整個網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇路由算法；網(wǎng)絡(luò)生存周期；能量有效性；LEACH中圖分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1673．113l(2014)06—0076．02lLEACH協(xié)議工作原理I．口．蘭!竺!LEACH協(xié)議全稱為“低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議”。該協(xié)()：{1-p×(，mod-1)()；if(∈G)(1)Ip議核心思想是：通過節(jié)點間的相互協(xié)作，控制簇群的建立；采用【O；otherwise簇首輪換技術(shù)，實現(xiàn)簇群的動態(tài)改變，均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能耗分式(1)中，P為期望的網(wǎng)絡(luò)中簇首

3、所占百分比，r為當(dāng)前運布，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期Ⅲ。行輪數(shù)，n為網(wǎng)絡(luò)中用于標(biāo)識節(jié)點的編號；G的含義同LEACH，2LEACH協(xié)議算法的缺陷分析表示在過去_=1_輪中未充當(dāng)過簇首節(jié)點的集合。傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議實現(xiàn)簡單，自適應(yīng)強，運行中每個節(jié)Eresidual(n，r)表示節(jié)點n在當(dāng)前r輪中的剩余能量，Einit點輪流擔(dān)當(dāng)簇首，平均了整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，與平面路由協(xié)(n)表示節(jié)點n在網(wǎng)絡(luò)開始運行時的初始化能量。Eresidual和議相比，有更長的網(wǎng)絡(luò)生存周期0。但是，我們發(fā)現(xiàn)了LEACHEinit這兩個參數(shù)都是節(jié)點自己的內(nèi)部信息，由節(jié)點自己來

4、維護協(xié)議的一些不足：的，不需要與其它節(jié)點進行通信。通過Eresidual和Einit的比(1)LEACH協(xié)議在進行簇首選擇時，因為節(jié)點自身產(chǎn)生隨值對閾值T(n)的調(diào)節(jié)，可以使能量消耗比例大的節(jié)點通過減機數(shù)的不確定性導(dǎo)致無法在每輪中產(chǎn)生固定數(shù)目的簇首。簇小T(n)的值，來降低其成為簇首的概率；相反，對于能量消耗比首數(shù)目的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)在某些輪中可能生成較多的簇例較小的節(jié)點，通過增大T(n)的值，提高其成為簇首的概率。首，而在其它輪中產(chǎn)生較少的簇首。式(1)中，參數(shù)q為一個與能量相關(guān)的調(diào)節(jié)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)(2)每一輪中簇群節(jié)點數(shù)目差別較大

5、，有些簇群非常龐大，節(jié)點能耗因素對閾值T(n)的影響。如何選取qi的值，使得網(wǎng)絡(luò)成員節(jié)點較多，有些簇群只有很少甚至沒有成員節(jié)點。這樣，性能達到一個比較好的值也是本文研究的一個重點。極易造成整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不均衡，最終這種情況將導(dǎo)致某一些3_3仿真分析節(jié)點因為能量過早耗盡而死亡。3-3．1仿真試驗場景與參數(shù)設(shè)定(3)簇首節(jié)點位置分布不均勻。有些簇首過于集中或者相鄰，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中225個節(jié)點隨機分布在150mx150m有些簇首分布于整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的邊緣。這樣，某些簇內(nèi)成員節(jié)點不得不通過遠距離的傳輸來與簇首通信，導(dǎo)致消耗大量能量。的區(qū)域內(nèi)，所有節(jié)點

6、初始化能量相同。網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)(4)隨著網(wǎng)絡(luò)的運行，某些節(jié)點可能由于先期承擔(dān)了過多的如表1所示。任務(wù)而只有很少的剩余能量。如果沒有考慮節(jié)點的剩余能量，表l網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)在后期節(jié)點剩余能量普遍較低的情況下，簇首選舉中不幸選到網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域M×Ml50m~l50m了能量特別低的節(jié)點，將無法承擔(dān)相關(guān)任務(wù)，導(dǎo)致通信失效。網(wǎng)絡(luò)總共節(jié)點數(shù)目N2253改進方案與仿真結(jié)果分析基站坐標(biāo)(位于網(wǎng)絡(luò)中心)(75m，75m)3．1網(wǎng)絡(luò)能耗性能評價標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中期望簇首百分比PO．1為了方便改進后的協(xié)議與原來的LEACH協(xié)議進行對比，參數(shù)e6lopJ／bit／mz參數(shù)e～

7、0．0013pJ／bit／m4我們采用衡量網(wǎng)絡(luò)性能的兩個常用指標(biāo)是：網(wǎng)絡(luò)生存周期和每輪網(wǎng)絡(luò)總能量消耗Ⅲ。接收和發(fā)送電路能耗Ed50nJ／bit3．2基于剩余能量的改進方案簇首數(shù)據(jù)融合能耗EDA5nJ／bifsignal數(shù)據(jù)包大小L400byte在分析LEACH協(xié)議缺點的時候，其中提到了：隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點初始化能量EO1．5J的運行，某些節(jié)點可能由于先期承擔(dān)了過多的任務(wù)而只有很少的剩余能量。如果沒有考慮節(jié)點的剩余能量，在后期節(jié)點剩余3．3．2基于剩余能量的改進方案仿真與分析能量普遍較低的情況下，簇首選舉中不幸選到了能量特別低的利用式(1)進行

8、了模擬仿真試驗，從節(jié)點存活數(shù)目即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將無法承擔(dān)相關(guān)任務(wù)，導(dǎo)致通信失效。本改進方案利用生存周期對試驗結(jié)果進行分析。值得注意的是：當(dāng)循環(huán)輪數(shù)達節(jié)點剩余能量對簇首選舉的閾值T(n)進行了改進，其它簇群的到一