上傳人：凹***

認(rèn)證信息

認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：劉**（實(shí)名認(rèn)證）

IP屬地：上海

IP屬地：上海 上傳時(shí)間：2021-06-06 格式：DOCX 頁數(shù)：4 大?。?5.64KB 積分：25 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、基于能量有效和多跳的層次型拓?fù)湫畔⒖刂? 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及無線通信技術(shù)，有著不可估量的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳感器體積小、能量少、節(jié)點(diǎn)部署環(huán)境較差【1】。對于能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，在確保網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的前提下節(jié)約能量消耗是一個(gè)關(guān)鍵問題。通過拓?fù)淇刂萍夹g(shù)生成優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源消耗。1 LEACH算法的特點(diǎn)LEACH算法自適應(yīng)性好，容錯(cuò)性高，并且能夠有效的延長網(wǎng)絡(luò)的壽命【2】。但是這種算法也存在著自身的缺點(diǎn)：簇首節(jié)點(diǎn)分布不合理。由于簇首產(chǎn)生的隨機(jī)性會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分簇不均勻，致使部分簇首相距基站遠(yuǎn)近不一，

2、從加重某些簇首節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡度。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布不均勻。因?yàn)槭请S機(jī)性的產(chǎn)生簇首，所以就可能造成簇首負(fù)擔(dān)的節(jié)點(diǎn)不均衡，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布不均勻使得簇首節(jié)點(diǎn)消耗能耗不一，造成網(wǎng)絡(luò)能量負(fù)載不平衡，減少了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。簇首選舉中沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，剩余能量少的節(jié)點(diǎn)一旦當(dāng)選為簇首，會導(dǎo)致該簇失效，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)Hj直接把數(shù)據(jù)傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)CHi，當(dāng)兩者之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，會加重簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能源消耗以及簇首節(jié)點(diǎn)的能源消耗。2 系統(tǒng)模型本文采用文獻(xiàn)【3】中的無線通信能量消耗模型，節(jié)點(diǎn)發(fā)送l bit的數(shù)據(jù)所消耗的能量為ETx（l，d），由發(fā)射電路損耗和功率放大損耗兩部分組成，即公式（1）所示：

3、ETx（l，d）=ETx-elec（l）+ETx-mp（l，d）=lxEelec+lxεxdβ （1）Eelec表示發(fā)射電路和接收電路損耗的能量消耗，在該模型中兩者取相同值，能量消耗值與消息長度l成正比。功率放大時(shí)的能量消耗與發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離d有關(guān)。根據(jù)傳輸距離d與給定閾值d0之間的關(guān)系，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇不同的能量衰減模型計(jì)算發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量，即當(dāng)傳輸距離小于d0時(shí)，采用自由空間模型，發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗與距離的平方成正比關(guān)系；否則采用多路徑衰減模型，與距離的四次方成正比關(guān)系，如公式（2）所示：E（l，d）=l-E+ε-l-d，ddl-E

4、+ε-l-d，d？叟d（2）其中ε、ε分別表示這兩種模型功率放大所消耗的能量，d=4πhrht/λ，ht和hr分別表示發(fā)射裝置和接收裝置的天線長度，λ表示標(biāo)志信號波長。接收裝置每接收l bit數(shù)據(jù)的能量消耗為：ERx（l，d）=ERx-elec（l）=l-Eelec （3）3 LEACH-EAM算法的實(shí)現(xiàn)LEACH-EAM算法采用LEACH算法中輪次轉(zhuǎn)換的方法，把每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段，如圖1所示。3.1 簇的建立階段 簇的建立階段由簇首確定和簇的形成兩個(gè)階段組成。3.1.1 簇首確定 在簇

5、首選舉上，算法采用基于節(jié)點(diǎn)密度爭先的簇首選舉以及允許已經(jīng)充當(dāng)過簇首的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)參加選舉的方法。同時(shí)，引入節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首次數(shù)限制F（i）和能量限制Et（i）兩個(gè)指標(biāo)，避免節(jié)點(diǎn)頻繁當(dāng)選簇首或者剩余能量少節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首，造成節(jié)點(diǎn)加快死忙的問題。簇首選舉時(shí)節(jié)點(diǎn)生成介于0-1的隨機(jī)數(shù)a，用a與簇首選舉閥值T（Ni）進(jìn)行比較（T（Ni）由公式（4）定義），a比T（Ni）小就具備當(dāng)選簇首的先決條件。T（Ni）=x1-D（Ni），Ni∈G （4）在公式中：P是一個(gè)0-1間的實(shí)數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)中每輪節(jié)點(diǎn)成為簇首占所有節(jié)點(diǎn)的比例；r是當(dāng)前輪數(shù)；G是在前r-1輪內(nèi)未死忙節(jié)點(diǎn)集合，D（Ni）是節(jié)點(diǎn)密集度參數(shù)（由公式（5

6、）定義）。D（Ni）= （5）Nd（i）為節(jié)點(diǎn)i的存活鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)。公式（5）由LEACH算法公式修改而來，它與LEACH算法不同的是：（1） LEACH算法中禁止當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)再次參選，會從另一方面造成簇首節(jié)點(diǎn)分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣，網(wǎng)絡(luò)分簇不均勻，所以本算法的簇首選舉閥值把限制當(dāng)選過簇首的限制條件去掉，允許節(jié)點(diǎn)多次單選簇首；（2）增加密度集參數(shù)，由1-D2（Ni）可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)周圍存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，1-D2（Ni）的值也就越大，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率也就會越高，節(jié)點(diǎn)周圍存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)越少，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率也就會越低。而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)密度集也會隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變。算法在簇首選舉的過程中還要衡量節(jié)點(diǎn)

7、當(dāng)選簇首次數(shù)限制F（i）和能量限制Et（i）兩個(gè)指標(biāo)，定義以下變量C（i），ei，Eavr。C（i）是節(jié)點(diǎn)在生命期內(nèi)中當(dāng)選簇首節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)次數(shù)，由節(jié)點(diǎn)通過累加得到，ei為節(jié)點(diǎn)剩余能量，由節(jié)點(diǎn)自己能量消耗情況得出，Eavr為全網(wǎng)存活節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量，由Sink節(jié)點(diǎn)返回得出。其中F（i）= （6）Et（i）= （7）R為系統(tǒng)設(shè)定的最大選舉輪數(shù)，參數(shù)P為系統(tǒng)設(shè)定的最優(yōu)簇首比例。節(jié)點(diǎn)只有在指標(biāo)F（i），Et（i）都比實(shí)數(shù)1小的時(shí)候才具備當(dāng)選簇首的前提條件。通過指標(biāo)F（i）可以保證節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的次數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)，避免節(jié)點(diǎn)過早死忙。通過能量限制Et（i）保證當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)剩余能量必須比全網(wǎng)存活節(jié)點(diǎn)的

8、剩余能量大，避免剩余能量較少的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首。在簇首選舉的過程中從節(jié)點(diǎn)密度集、節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首次數(shù)限制和能量限制等三個(gè)方面對LEACH算法進(jìn)行改進(jìn)，簇首的選舉不再是單個(gè)節(jié)點(diǎn)的事情，而是周圍節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合考慮。簇首選舉流程圖如圖2所示。3.1.2 簇的形成 一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為候選簇首節(jié)點(diǎn)后，就向其鄰居R范圍內(nèi)廣播成為獲勝簇首的消息，該消息包括節(jié)點(diǎn)的ID，剩余能量ei和坐標(biāo)，等待節(jié)點(diǎn)的加入。非候選簇首節(jié)點(diǎn)收到簇首的廣播消息后，則計(jì)算與每個(gè)候選簇首之間能量距離綜合權(quán)值參數(shù)wji（wji由公式（8）給出），選擇wji值大的簇首加入，如果存在與多個(gè)候選簇首節(jié)點(diǎn)的wji值相等，則選擇距離短的簇首加入，并向該簇首發(fā)回確認(rèn)消

9、息，確認(rèn)消息包含節(jié)點(diǎn)的ID，剩余能量ei和坐標(biāo)【4】。w=/d（j，i） （8）其中e為非簇首節(jié)點(diǎn)的剩余能量，d（j，i）為非簇首節(jié)點(diǎn)Hj與簇首CHi之間的距離。節(jié)點(diǎn)在簇首選舉時(shí)間內(nèi)如果沒有收到來自候選簇首的消息，則該節(jié)點(diǎn)宣布成為簇首，并向其鄰居R范圍內(nèi)廣播當(dāng)選簇首的消息，該消息包括節(jié)點(diǎn)的ID，剩余能量ei和自身的地理位置，等待節(jié)點(diǎn)的加入，只有與該節(jié)點(diǎn)相同的沒有收到獲勝簇首消息的節(jié)點(diǎn)才需要對這條消息響應(yīng)，通過前面的能量距離綜合權(quán)值參數(shù)wji方法選出剩余的簇首。3.2 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段 LEACH-EAM算法在穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸采用多跳和單跳結(jié)合的方法。LEACH-EAM需要根據(jù)當(dāng)

10、前條件是否滿足臨界條件來決定簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳或者多跳的數(shù)據(jù)傳輸。3.2.1 臨界條件 臨界條件的確定參考文獻(xiàn)【5】得出，在文獻(xiàn)中通過參數(shù)Q（公式（9）確定臨界條件。Q= （9）Q為每個(gè)簇平均所占的面積。簇所覆蓋面積大小決定了該分簇是采用多跳或者單跳的傳輸方式。當(dāng)簇所占的面積滿足大于Q時(shí)，采用多跳的傳輸方式，反之則采用單跳。3.2.2 多跳的實(shí)現(xiàn)方法 在實(shí)現(xiàn)多跳的數(shù)據(jù)傳輸過程中，簇首CHi先根據(jù)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的位置信息，采用最短路徑算法Dijkstra計(jì)算連接邊的權(quán)重意義上的最短路徑得到CHi出發(fā)到所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由路徑樹。根據(jù)公式（2）可計(jì)算連接邊的權(quán)重Eelec+εfriss-

11、ampd2，因?yàn)榇亟Y(jié)構(gòu)中傳輸距離較短的特性，所以衰減因子選擇2。當(dāng)最短路徑計(jì)算完畢后，簇首CHi將路徑樹打包成消息廣播給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)【5】。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)Hj接收到路徑消息后，可從消息中得出自己的上一跳集合和下一跳集合。4 算法仿真4.1 仿真系統(tǒng)配置 仿真系統(tǒng)配置如下：傳感器網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域?yàn)?00mx100m，隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)數(shù)為100個(gè)，基站位置固定在坐標(biāo)（50，50）處，節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為10m50m，節(jié)點(diǎn)初始能量為2J，節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送電路消耗的能量Eelec為50Nj/bit，信號放大器的放大倍數(shù)為0.0013pJ/bit/m4，增量Δ為2，EDA為0.009J/bit/signal，節(jié)點(diǎn)

12、充當(dāng)簇首時(shí)間為100s【6】。4.2 性能分析 為了評價(jià)算法對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，為了更好地衡量網(wǎng)絡(luò)壽命、能量利用率和簇規(guī)模等幾個(gè)指標(biāo)，本仿真實(shí)驗(yàn)中測定了四個(gè)指標(biāo)，分別為：簇規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)壽命、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布、平均功耗。4.2.1 簇規(guī)模 簇規(guī)模指標(biāo)用來評價(jià)各簇節(jié)點(diǎn)數(shù)的平衡度。為比較LEACH-EAM算法在平衡各簇規(guī)模的作用，隨機(jī)抽取了算法在運(yùn)行過程中的分簇，如圖3所示?？梢钥闯鯨EACH-EAM結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)密度選擇簇首，相比LEACH算法和DBPC算法簇首節(jié)點(diǎn)分布比較均勻，而且都分別位于各簇的中央地帶，較好地避免了簇首節(jié)點(diǎn)聚集或處于網(wǎng)絡(luò)邊緣的問題。4.2.2 不同簇首比例網(wǎng)絡(luò)壽命 圖4為簇首

13、比例P分別取0.04、0.05、0.1時(shí)，四種算法對網(wǎng)絡(luò)壽命的影響?？梢钥闯鲈?種不同簇首比例P下，因?yàn)長EACHEAM算法在簇首選舉階段引入能量限制指標(biāo)，避免剩余能量少節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首，在簇的形成階段，非簇首節(jié)點(diǎn)計(jì)算與每個(gè)候選簇首之間能量、距離綜合權(quán)值，并加入選擇綜合權(quán)值大的簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用多跳與單跳相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以網(wǎng)絡(luò)壽命最長，OBCP次之，LEACH的網(wǎng)絡(luò)壽命最短。而且當(dāng)P=0.04時(shí)，LEACH-EAM的網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間最長。4.2.3 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布性能指標(biāo)反映網(wǎng)絡(luò)分簇情況是否均衡。如圖5所示，可以看出LEACH-EAM各簇包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)相對于LEACH、DBCP更加

14、集中，從而進(jìn)一步證明通過結(jié)合節(jié)點(diǎn)密度選舉簇首可以更有效平衡各個(gè)簇的規(guī)模。4.2.4 不同網(wǎng)絡(luò)直徑下的網(wǎng)絡(luò)壽命、節(jié)點(diǎn)平均功耗 圖6和圖7分別表示在不同網(wǎng)絡(luò)直徑下的網(wǎng)絡(luò)壽命和節(jié)點(diǎn)平均功耗的對比情況。從圖中可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)直徑的增加，簇內(nèi)通信距離增大，造成簇內(nèi)消耗的能量也增大， LEACH-EAM相對LEACH算法、DBCP算法節(jié)點(diǎn)平均功耗是最少，網(wǎng)絡(luò)壽命最長。5 結(jié)束語本文LEACH算法進(jìn)行深入研究，提出了LEACH-EMA算法。通過簇首的確定、簇的形成兩個(gè)階段，簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)算法，具備網(wǎng)絡(luò)分簇情況均衡，節(jié)點(diǎn)的平均功耗少；網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間長的特點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：【1】孫利民，李建中，陳渝等

15、.無線傳感器.網(wǎng)絡(luò)清華大學(xué)出版社，20055，89107.【2】喬俊峰，劉三陽，曹祥宇.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)密度的簇算法.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2009，36（12）：46-49.【3】Heinzelman W， Chandrakasan A， Balakrishnan H. Energy-efficient communication protocol for wireless micro-sensor networks. Proceedings of t he 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences， Maui， 2007.3005-30l4.【4】郝曉辰，翟明，劉彬，張?jiān)鋈?負(fù)載均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴?計(jì)算機(jī)工程