文档介绍：非变换簇的WSN分簇路由算法-电气论文
非变换簇的WSN分簇路由算法
张岩
(西安文理学院信息工程学院,陕西西安710065)
摘要:针对LEACH 算法簇头选取及能量消耗方面的不足,提出一种基于能量、距离和节点度的分簇路由算法CMEDD,通过均匀分簇减少重建过程,对簇头选举公式进行改进,合理选择簇头,从而均衡节点能耗。采用基于代价因子的单跳和多跳相结合的方式建立最优路径进行数据传输。仿真结果表明,与LEACH算法和RMCRW 算法相比,CMEDD算法能够有效均衡节点能耗,可相对延长网络生存周期。
关键词 :无线传感器网络;能耗均衡;簇头选取;网络生命周期
中图分类号:TN711?34;TP393 文献标识码:A 文章编号:1004?373X(2015)18?0026?04
收稿日期:2015?03?25
基金项目:西安市科技计划项目(CXY1443WL19);国家自然科学基金资助项目(41301413)
无线传感器网络中,传感器节点多采用能量有限的电池供电,使得整个网络对数据的存储处理和传输能力受到了限制。所以如何有效使用传感器节点能量,以及如何延长网络的生命周期就成为设计无线传感器网络路由协议的一个重点,其中从管理的角度上对网络进行层次化管理是目前该领域的一个研究热点。
文献[1]提出了无线传感网拓扑控制典型的低功耗自适应算法LEACH,与平面拓扑算法相比,该协议可以延长网络生命期约30%。但是LEACH 算法没有考虑能量不平衡问题,存在很大改进空间。
针对LEACH 算法存在的问题,学者们提出一系列改进的算法[2?7]。文献[2?4]均提出基于剩余能量的自适应分簇算法,算法选择剩余能量最大的节点作为簇头,平衡能耗。文献[5]提出了基于节点能量阈值的簇头竞争算法,当簇头节点的剩余能量值降低到特定阈值下时,算法就启动新一轮簇的建立过程。文献[6]利用节点到基站的距离作为簇头选择的权重对LEACH算法进行改进。文献[7]LEACH?EI算法,考虑节点初始能量和当前能量2个因素,利用动态分簇的方式计算能量阈值,根据能量阈值选择簇头。文献[8]ECRED算法通过引入备选簇头减少簇的重建,用以降低簇头选举的能耗。文献[9]RMCRW算法提出基于环的簇头选举方式,引入权值控制簇头转发路径,达到节能目的。另外也有研究者将已有的一些优化算法如遗传算法、蚁群算法等应用到路由算法的设计中,从而延长网络寿命。
在深入研究无线传感器网络LEACH及其相关改进协议的基础上,本文设计了一种基于能量、距离、节点度的算法(A Cluster Head Make up?Energy?Distance?Densi?ty Algorithm Improved Based on LEACH Algorithm,CMEDD)。
1 网络模型
本文采用的节点模型假设如下:
(1)基站距离较远且能量无限,位置不发生改变;
(2)节点同构且初始能量相等,一经部署其位置不再发生改变;
(3)节点发送功率可以进行调整,即具有调节无线收发器工作能耗的控制功能;
(4)节点能够支持多种MAC协议(如TDMA等);
(5)传感器节点具有足够的计算能力,即具有一定的数据融合功能。
能耗模型
节点l 位的数据包传送长度为d ,通信模型为[9]:
2 CMEDD 算法描述
簇头选择
在分簇结构的无限传感器网络中簇头个数k 是影响分簇路由算法网络能耗的一个重要参数。CMEDD算法采用文献[10]中簇头个数k 的取值算法。本算法规定首轮成簇及广播工作由基站完成,基站按照最佳簇头个数将网络化分成k 个虚拟网格,进而基站在每个网格内随机选取一个节点作为本簇的簇头,同时生成一个邻居列表消息Message_neighbour,并将此信息广播给各自簇(网格)内成员节点[11]。基站公布本次的信息匹配之前,所有节点不知道自己所属的簇区域,因此基站发布的Message_neighbour消息覆盖范围要确保网络内所有节点都能接收到。
基站可以从第1 轮各簇头发送的数据确定所有节点及基站之间的距离关系,为第2轮及以后的簇头选举提供必要数据。在经过N k 轮的工作之后,由于各种随机事件使得簇内节点能量可能差异较大。为了均衡网络能耗并延长其使用周期,在随后的簇头选举中将综合考虑到节点剩余能量、簇内节点平均距离及节点距基站距离、节点度等三方面因素:
(1)节点剩余能量
首先引入节点剩余能量参数E(n):
式中: En (r) 为节点n 在r 轮的剩余能量;Eeverage (r) 为r 轮时刻簇内平均能量。则:
在每一轮的工作结束时,每个节点查看自身的En (