無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH路由協(xié)議的改進(jìn)算法

1、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) LEACH 路由協(xié)議的改進(jìn)算法摘 要 :針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)選取難、網(wǎng)絡(luò)生存周期短、 能量消耗大等問題 , 本文在傳統(tǒng)的 leach 算法基礎(chǔ)上 , 設(shè)計(jì)了e-leach 算法 ,e-leach 算法引入了能量閾值的概念。能量閾值是判 斷該節(jié)點(diǎn)是否可以作為簇頭節(jié)點(diǎn)的先決條件 , 同時(shí)引入距離因子的 概念 , 在每輪選取簇頭時(shí) , 都會(huì)考慮到和基站的距離。仿真實(shí)驗(yàn)表明 , 該算法有效的降低了網(wǎng)絡(luò)能耗 , 延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的生命時(shí)間。關(guān)鍵詞 :無線傳感器網(wǎng)絡(luò) leach 節(jié)點(diǎn)生存周期 能量中圖分類號(hào) :tp3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :a 文章編號(hào) :1672-3791(201206(b-0

2、015-02近年來 , 由于無線技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展和快 速融合 , 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到研究者的普遍重視和廣泛研究 1。但傳感器網(wǎng)絡(luò)也有一些固有的缺點(diǎn)如 :能量利用率低、生存周期 短、抗干擾能力差。而通過良好的分簇算法不僅可以減少傳感器節(jié) 點(diǎn)的能耗 , 還可以降低通訊干擾、提高 mac 協(xié)議和路由協(xié)議的效率。 因此 , 提出一個(gè)高效穩(wěn)定合理的算法便成為迫切需要解決的問題 2。 本文在 leach 算法的基礎(chǔ)上 , 綜合考慮了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量 , 提出了一種更為高效、更為合理的低開銷自適應(yīng)分層的 e-leach 算 法。1 l

3、each算法分析 leach 協(xié)議是由 wendi 等人提出的 , 其基本思想是 :提出了“輪 (round”的概念 , 通過每一輪的循環(huán)隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn) , 然后再對(duì) 簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪換 , 從而達(dá)到平衡和降低能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周 期的目的。在 leach 協(xié)議中 , 每一輪由兩部分構(gòu)成。第一部分是構(gòu) 建簇階段 , 第二部分為穩(wěn)定工作階段。在實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 , 經(jīng)過多輪選舉后 , 各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能 量將會(huì)有很大的不同 , 靠近簇頭的節(jié)點(diǎn)剩余的能量多 , 而遠(yuǎn)離簇頭 的節(jié)點(diǎn)剩余的能量少。但是在傳統(tǒng)的 leach 算法中 , 所有的節(jié)點(diǎn)成 為簇首節(jié)點(diǎn)的概率是相同的。因此 , 若在以后的多

4、輪數(shù)據(jù)傳播中都 選取遠(yuǎn)離基站的節(jié)點(diǎn)做簇頭 , 則該節(jié)點(diǎn)的能量將很快被耗盡 , 最終 成為失效節(jié)點(diǎn)。過多的失效節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。另外 , 在傳統(tǒng)的 leach 算法中 , 每一輪的初始化階段 , 節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收 到簇頭節(jié)的廣播信號(hào)的強(qiáng)弱 , 選擇要加入的簇。但是 , 這種方案不一 定是最優(yōu)的方案。 a 、 b 、 c 為選擇出來的簇首節(jié)點(diǎn) ,d 為基站 ,e 為非 簇首節(jié)點(diǎn)。顯然節(jié)點(diǎn) e 距離 a 、 c 的距離均比距離 b 的距離近 , 但若 e 要將數(shù)據(jù)傳到基站 d, 最優(yōu)的簇頭卻應(yīng)選 b 。因?yàn)椴徽撌沁x c 還是 選 a, 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)消耗的能量都大于 b 路徑。2 leach改進(jìn)算法針

5、對(duì) leach 算法的不足之處 , 本文設(shè)計(jì)了 e-leach 算法 , 在很大程 度上解決了上述問題。 e-leach 算法構(gòu)建簇時(shí)經(jīng)過了兩次選擇。第 一次選擇選出符合能量條件和距離極小條件的節(jié)點(diǎn)集合 , 第二次選 擇才是真正的簇頭選擇階段 , 在該集合中隨機(jī)選出符合要求的簇頭 節(jié)點(diǎn)。首先 ,e-leach 算法引入了能量閾值的概念。能量閾值是判斷該節(jié) 點(diǎn)是否可以作為簇頭節(jié)點(diǎn)的先決條件。能量閾值的計(jì)算公式 : (1式中 e(r為第 r 輪的能量閾值 ,k 為能量閾值因子 ,p 為期望的簇頭 節(jié)點(diǎn)占所有有效節(jié)點(diǎn)的百分比 ,er 為第 r 輪循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選取的 有效節(jié)點(diǎn)的能量總和 ,m 為第

6、r 輪中簇頭節(jié)點(diǎn)總數(shù)。 在每一輪簇頭選 擇前 , 將每個(gè)符合簇頭條件的節(jié)點(diǎn)能量與能量閾值相比 , 若節(jié)點(diǎn)能 量小于能量閾值則將該節(jié)點(diǎn)從簇頭候選節(jié)點(diǎn)中剔除 35。 其次 ,e-leach 算法引入了距離因子 :(2其中 d m為監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)到基站的最大距離 ,d(i為節(jié)點(diǎn) i 到基站 的距離。有了距離因子 , 在每輪選取簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)向基站傳送時(shí) , 都會(huì)考慮距離代價(jià)。從而選擇出數(shù)據(jù)傳輸距離最小的路徑。 經(jīng)過第一次的選擇 , 我們可以得到一個(gè)簇頭候選集合 q 。(3q 是在 1/p輪中未成為簇頭并且能量大于能量閾值的節(jié)點(diǎn)集合。 非 簇頭節(jié)點(diǎn)選擇加入簇時(shí) , 也會(huì)參照能量閾值及距離因子 , 選出能

7、量 損耗最小的傳輸路徑 6。4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析 本方案使用 matlab 仿真。在仿真時(shí) k 取 0.75, 傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的 分布在 1000×1000的平面區(qū)域內(nèi)。傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1000個(gè) , 各個(gè) 節(jié)點(diǎn)初始能量為 3j, 基站坐標(biāo)為 (50,750,數(shù)據(jù)包大小為 20bytes 。 leach 算法與 e-leach 算法存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量隨時(shí)間的變化情況。 leach 算法與 e-leach 算法傳輸數(shù)據(jù)量與能耗的關(guān)系。由此次實(shí)驗(yàn)的仿真可以看出在初始節(jié)點(diǎn)數(shù)相同條件下 , 隨時(shí)間的 推移 , 采用 leach 算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)明顯低于采用 e-leach 算法的無線

8、傳感器網(wǎng)絡(luò)。而且在傳送相同數(shù)據(jù)量的條件 下 ,e-leach 算法消耗的能量要更少。5 結(jié)語本文以傳統(tǒng)的 leach 算法為基礎(chǔ) , 考慮了每一輪中各個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能 量不一致問題 , 以及所選路徑并非最節(jié)能路徑的問題。提出了能量 閾值及距離因子的概念 , 通過能量閾值及距離因子確定優(yōu)選簇頭集 合 , 再在此基礎(chǔ)上選擇出簇頭節(jié)點(diǎn)。通過這種簇頭選擇優(yōu)化算法 , 實(shí) 現(xiàn)了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期 , 提高節(jié)點(diǎn)能量利用率的目的。參考文獻(xiàn)1 akyildiz i f,weilians, sankarasubramaniamy.a survey on sensor networks j. ieee communications magazine,2002. 2 akkaya k,younis m.asurvey on routing protocols for wirelesssensor networksj.adhocnetworks,2005.3 孫利民 , 李建中 , 陳渝 , 等 . 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) m.清華大學(xué)出 版社 ,2005.4 江冰 , 吳元忠 , 謝冬梅 . 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位算法的研 究 j.傳感技術(shù)學(xué)報(bào) ,2007.5 sichitiu m l.cross-layer scheduling for power effi