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一種基于LEACH算法的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究與改進(jìn)

2017-03-09 11:51于俊勇譚敏生江君祥
關(guān)鍵詞:閥值基站分組

◆于俊勇 譚敏生 向 婷 江君祥

一種基于LEACH算法的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究與改進(jìn)

◆于俊勇 譚敏生 向 婷 江君祥

(南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖南 421001)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗問(wèn)題是目前亟待解決的?;贚EACH協(xié)議的研究是最普遍的。但是這些研究大都主要幾種在節(jié)點(diǎn)的剩余能量,簇頭的個(gè)數(shù)研究,但是簇頭分布的均勻性和各個(gè)簇間的普通節(jié)點(diǎn)過(guò)量的冗余,卻很少顧及。本文首先通過(guò)平均能量分組的方法產(chǎn)生分組,再在每個(gè)組內(nèi)選擇合適的簇頭,然后讓簇內(nèi)的部分不同節(jié)點(diǎn)選擇行的進(jìn)行休眠。這樣來(lái)減少普通節(jié)點(diǎn)的的能耗、減少簇頭的數(shù)據(jù)融合能耗,進(jìn)而減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。實(shí)驗(yàn)證明,這種方法能夠很好的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò);LEACH;簇頭選舉;能量消耗

0 前言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)[1],[2]是部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的的方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感器的節(jié)點(diǎn)的體積小于1立方厘米[3],因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)攜帶的能量是有限的。由于其在監(jiān)控區(qū)域數(shù)量多、分布廣,這樣為其能量的補(bǔ)充增加了難度。延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間,成為了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。路由協(xié)議的研究是常見(jiàn)的,特別是分層路由協(xié)議。典型的是LEACH協(xié)議[4]。

1 LEACH路由協(xié)議

在LEACH協(xié)議下,首先提到“輪”的概念。不再是通過(guò)泛洪進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換,答題包括簇頭的選舉和簇的建立以及穩(wěn)定階段數(shù)據(jù)采集、傳輸。

1.1 LEACH簇頭的選舉和簇的建立

首先要進(jìn)行簇頭的選舉。該算法進(jìn)行簇頭選擇的方法如下:在每輪開(kāi)始時(shí),節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)[0,1]的隨機(jī)數(shù),該隨機(jī)數(shù)和閥值T(n)進(jìn)行比較,如果小于該閥值就成為該輪的簇頭,反之就準(zhǔn)備加入相應(yīng)的簇。

其中:P為節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率,r為當(dāng)前輪數(shù),G為在最近的1/p輪中未當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。簇頭節(jié)點(diǎn)選定以后,向周?chē)鷱V播自己成為簇頭的消息,節(jié)點(diǎn)根據(jù)接受到的信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)決定要加入的簇。然后,簇頭節(jié)點(diǎn)采用TDMA的方式為簇內(nèi)的所有的成員分配傳送數(shù)據(jù)的時(shí)隙。這樣就完成了簇的建立。

在穩(wěn)定階段,傳感器節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的時(shí)隙將采集到的數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭,簇頭對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、數(shù)據(jù)融合再將數(shù)據(jù)傳送到匯集節(jié)點(diǎn),匯聚節(jié)點(diǎn)最后將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。至此,一輪已經(jīng)完成,網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入下一輪的簇的重建,不斷循環(huán)。

1.2 LEACH算法的不足

LEACH算法選擇簇頭節(jié)點(diǎn)一定時(shí)不能均勻分布。向簇頭傳輸數(shù)據(jù)造成大量的信息冗余,并且簇頭的融合也要消耗能量[5]。針對(duì)以上不足,提出了一下改進(jìn):使簇頭的分布更加均勻;成簇的規(guī)模更加合理。

2 網(wǎng)絡(luò)模型和能量消耗模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文采用的傳感器網(wǎng)絡(luò)模型具有以下性質(zhì):

(1)所有的傳感器的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)正方形區(qū)域中;

(2)基站是固定的、可維護(hù)的、并且有足夠的能量;

(3)所有的傳感器的節(jié)點(diǎn)的能量是有限的,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自身的位置信息;

(4)所有的傳感器的節(jié)點(diǎn)都具有功率控制能力,可以改變自己的發(fā)射功率;

(5)所有的傳感器的節(jié)點(diǎn)都具有相同的配置,都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合,都可以根據(jù)一定的條件改變自己的發(fā)射功率。

2.2 能量消耗模型

本文采用如下無(wú)線通信能耗模型。節(jié)點(diǎn)發(fā)射l位的數(shù)據(jù)到距離為d的位置消耗的能量ETX(l,d)由發(fā)射電路的消耗和功率放大的損耗組成,功率放大的消耗則根據(jù)發(fā)送者和接收者的距離分別采用自由空間模型和多路徑衰減模型,即:

式中Eelec為發(fā)射每位數(shù)據(jù)電路的消耗能量。εfs、εamp分別是2種通信信道模型下功率放大所需要的能量。若傳輸距離d小于閥值d0(d0為常數(shù)),功率放大消耗采用自由空間模型,當(dāng)d大于閥值d0時(shí),采用多路徑衰減模型。

3 改進(jìn)的算法

與LEACH算法類(lèi)似的,該算法也是周期性的。每輪循環(huán)包括簇的建立階段和穩(wěn)定的工作階段。

3.1 簇頭的選取

假設(shè)一個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),首先基站向該區(qū)域內(nèi)發(fā)送一個(gè)消息(ACTION),區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息以后,報(bào)告自己現(xiàn)在的能量Ei( i=1,2,...n)(剛開(kāi)始時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量完全相等),并且返回一個(gè)確認(rèn)的消息(DEAL),當(dāng)基站收到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)消息以后簇頭的選取流程開(kāi)始?;居?jì)算出該輪應(yīng)該產(chǎn)生出的簇頭的個(gè)數(shù)K,基站根據(jù)接收到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量計(jì)算出每個(gè)簇的平均的能量Eavg=Etotal/k ,然后最后一個(gè)響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)i成為第一個(gè)組頭,基站向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息包括分組的編號(hào)H1、分組的個(gè)數(shù)K,能量閥值Eavg,該節(jié)點(diǎn)接收到消息以后就向周?chē)鷱V播成為組頭的消息,節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后假如該組。當(dāng)接收未分組的能量高于閥值時(shí),該節(jié)點(diǎn)成為第二個(gè)組頭節(jié)點(diǎn)。同樣的上個(gè)組頭節(jié)點(diǎn)將向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息包括分組的編號(hào)H2、分組的個(gè)數(shù)K,能量閥值Eavg,該組頭繼續(xù)按照上面的方式成組,如此循環(huán)知道形成k個(gè)組。

3.2 簇的形成

不再像以前的算法那樣每個(gè)簇中的普通節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并且傳遞給簇頭節(jié)點(diǎn)。下面選擇出該論實(shí)際工作的m節(jié)點(diǎn),首先在該簇內(nèi)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn),與簇頭節(jié)點(diǎn)的距離在一定的閥值范圍內(nèi),然后偏移一定的角度再選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn),同樣滿足節(jié)點(diǎn)距離在一定的范圍內(nèi)。這樣本輪工作的m個(gè)節(jié)點(diǎn)就選擇出來(lái)了,簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)本輪關(guān)機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 數(shù)據(jù)源

本文采用MATLAB作為仿真工具。以隨機(jī)的方式在N*N的區(qū)域內(nèi)部署傳感器節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)中的各個(gè)參數(shù)取值如下:

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