基于LEACH协议簇头定位算法研究.pdf
《基于LEACH协议簇头定位算法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于LEACH协议簇头定位算法研究.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、doi:10.1601550/n.202302008Jun.2023Journal of Yancheng Institute of Technology(Natural Science Edition)2023年0 6 月Vol.36No.2第36 卷第2 期盐城工学院学自然科学版)基于LEACH协议簇头定位算法研究丁俊美,范生海1.合肥财经职业学院人工智能学院,安徽合肥230601;2.盐城工学院材料科学与工程学院,江苏盐城224051摘要:无线传感器网络能量消耗受簇头选择的影响很大,能耗对网络寿命起着至关重要的作用。在LEACH协议基础上,针对该协议的缺点,在保证网络簇头节点覆盖最大化基
2、础上,对簇头位置选择边缘化及密度进行优化,提出一种新的分簇方法。仿真结果表明,改进后的LEACH协议,降低了网络的能耗、增加了数据发送的总量、延迟了网络的寿命,是一种比较有效的分簇算法。关键词:无线传感器网络;簇头间距;网络寿命;能量消耗中图分类号:TN915.04文献标志码:A文章编号:16 7 1-532 2(2 0 2 3)0 2-0 0 44-0 6无线传感器网络WSN是一种可以对被感知对象的信息进行发送、采集、处理、融合等系列操作的自组织无线网络。网络中大量传感器节点通常布设在较为恶劣的环境中,许多学者一直在寻求一种既能均衡能耗、又能延长网络寿命的路由算法,其中最早、最为经典的是由H
3、einzelman等2 于2 0 0 0 年提出的分簇路由协议LEACH,该协议将网络划分成多个簇,大大降低了网络能耗。2002年,Heinzelman等3 对此协议进行了改进,提出了LEACH-C协议,其节点可以将自身的坐标信息和剩余能量信息传输给基站,优化了簇头选择,很好地节省了普通节点的能耗;2 0 17 年,黄利晓等4 提出了LEACH-improved节能算法,通过加人间距因子、剩余能量因子和节点密度因子来改进阈值计算公式,再综合考虑节点剩余能量和地理位置选择簇首;2 0 19 年,常铁原等5 提出了0-LEACH算法,在成簇过程中加人簇头节点的能量和节点距各簇头的距离等参考量对成簇
4、过程进行优化;2 0 2 1年,Maheshwari等6 提出使用蝴蝶优化算法选取最佳簇首,有效地延长了网络的寿命;同年,马泽等7 提出LEACH-HD算法,通过推导一阶无线能量模型,得到最佳簇首数目,再通过加人节点的剩余能量因子和节点与主机节点的平均距离因子,改进了簇首节点的选择方式。本文在深人分析LEACH算法及其改进算法的基础上,综合考虑网络簇头边缘化、分布不均的情况,提出一种簇头定位控制的路由算法。1LEACH协议剖析LEACH算法是一个比较经典的单跳分簇协议8 ,该算法使每轮成簇过程中各个传感器节点成为簇头的机会相等,并循环下去。每轮成簇都可分为两个阶段,分别是簇的建立和稳定阶段。在
5、簇的建立过程中,簇头的选取最为关键。节点成为簇头的条件是第n个传感器节点的随机数T(n)大于该传感器节点自动生成的随机数,此随机数为0 1。当某个节点成为簇头后,需要广播自己成为簇头节点的消息9)。T(n)的计算公式如式(1)所示PnEGT(n)=1-P(Prmod(1)P0其他式中:T(n)表示第n个传感器节点的随机数;P表示簇头节点占总节点数的百分比;r为当前循环轮数,轮;n表示第n个传感器节点;G表示过去1/P收稿日期:2 0 2 2-12-13基金项目:安徽省高等学校科学研究项目(2 0 2 2 AH053039)。作者简介:丁俊美(19 8 2 一),男,安徽安庆人,讲师,硕士,主要
6、研究方向为无线传感器网络、计算机网络技术:45丁俊美,等:基于定位算法研究A第2 期轮中仍未当选簇头的节点集合。显然,如果簇头数固定,随着r的减小、T(n)的增大,所有节点最后都有机会成为簇头10 。LEACH协议仅仅在概率的角度上体现节点成为簇头的公平性,而没有把节点的能耗、边缘化以及簇头密度等作为簇形成的重要影响因素(。LEACH协议的不足之处如下:(1)未将节点剩余能量考虑进LEACH算法。因为节点的类型和距离不同,其能耗也不相同。(2)LEACH协议簇头选取具有随机性。如果簇头选在网络的边缘,簇头的覆盖面积会变小,传输数据的能耗就会过大12 。(3)L EA CH 协议没有对簇头选取区
7、域进行限制,造成簇头密度不均,大部分簇头与基站间距较远,能量消耗过大。2LEACH协议能量模型LEACH协议采用一阶无线通信模式13,如图1所示。该模式中,能量的消耗主要发生在数据接收和发送过程中Ibit数据ERx(0)bit数据信号发送电路信号放大电路信号接收电路EelecxlEmpxlxd*或efsxlxd2Eelecxl图1天无线通信模型Fig.1Wireless communication model当两节点的距离为dm,发送数据总量为lbit时,发送过程与接收过程的能量消耗Ex(l,d)、ERx(1)计算公式分别如式(2)、式(3)所示14)Erx(l,d)=Eele(1)+E rx
8、-mp(1,d)=Eelel+8mpI d4d do(2)Eelel+8ld?ddoErx(1)=Eele I(3)式中Erx(l,d)表示发送数据Ibit到距离为dm的另一个节点需要耗费的总能量,J;Eele为发送和接收单位数据的能量消耗,为50 nJ/bit,包括电磁数据编码、发送、接收和调制解调等消耗的能量;Erx-mp(l,d)为发送数据信号放大电路的能量消耗,J;8mpv8.为放大器的增益,均为常数,在一阶无线8fs通信模式中,当ddo(d。=)时,8 m为多路8mp衰减信道模型下的功率放大系数,为0.0013pJ/(bitm*),当d4R2max(6)PXN式中:L为簇头间距的最小
9、门限值,m;N为传感器节点总数18 4模拟仿真及结果分析4.1仿真准备在模拟仿真实验中,将改进后综合考虑了簇头剩余能量、簇头边缘化、簇头密度算法的LEACH协议命名为LEACH-NEW协议,将仅考虑簇头剩余能量、减小簇头边缘化、簇头密度均匀化算法的LEACH协议分别命名为LEACH-EN协议、LEACH-MA协议、LEACH-DE协议。仿真实验前需要确定最优簇头个数K和值。对于一定区域内的传感器网络,最优簇头个数K由传感器节点的总个数N和簇头到基站距离共同决定19 优化后的最优簇头数计算公式如下:N&K=M(7)(2Eelec14mptoBS式中:K为最优簇头个数;M为监测区域边长,m;d t
10、 o Bs 为簇头到基站的距离,m。仿真前,确定网络节点布设图如图2 所示,仿真参数如表1所示。图2 中,黑色正三角形为基站(Sink节点),位于中心点,坐标为(50,50)m;实心正圆为新一轮簇形成后的簇头;空心正圆为普通节点。当簇头位于图2 监测区域的中心点时,簇头到基站距离dtoBs最短,为0;当簇头在4个角时,距离dtoBs最大,为7 1m,因此,本仿真实验中dlobs取值为0 7 1m。100r8080908070O6050840O8308208810800102030405060708090100M/m图2网络节点布设图Fig.2Layout diagram of network
11、nodes将dtoBs值及表1中参数代人公式(7),得到最优簇头数K为4 5个,由P=K/N得出簇头节点与总节点数百分比P的最优值为4%5%。本实验簇头数K选择5个,P取5%。仿真时需要对各种算法进行性能比较,而值对新算法LEACH-NEW的影响较大,因此仿真前必须确定值。为此,需要在LEACH-NEW算法下,对网络死亡时间及发送数据量进行综合比较,从而固定u值。设网络第一个节点死亡时间为T,所有节点死亡的时间为T,网络存活期内节点给基站发送的总数据量为D,根据表1的仿真参数,经过多轮仿真,得到结果如表2 所示。由表2 可知,当=0.6时,网络第一个节点死亡时间T,约为47 0 s,网络整体死
12、亡时间T,约为790s,数据接收总量为2 1416 0 3B,均优于其它47第2 期丁俊美,等:基于LEACH协议簇头定位算法研究表1实验仿真参数Table1Experimental simulationparameters参数值区域大小/(mXm)100 x100节点数/个100Sink节点/m(50,50)数据包长度/B500初始能量E,/J0.5Eele/(nJbit)50mp/(pJbitl m*)0.00138/(pJbitl.m2)10表2不同u值性能参数对比Table 2Comparison of performance parameters ofdifferentvaluesT
13、,/sT./sD/B0.243074018774530.34407501920 4760.445077019986530.546078020765890.647079021416030.74607802.081 4090.84507601975.319值时的网络性能。因因此,取=0.6,此时T、T,数据传输总量均最大,网络整体性能最佳。4.2模拟仿真根据上面确定的最优簇头数K=5、P=5%、=0.6,以及表1的仿真参数,采用MATLAB对以上含LEACH算法的5种算法下Sink节点数据接收量、节点存活时间、能量消耗3个方面进行仿真2 0 ,结果如图3 图5及表3所示。由图3、图4及表3可知,在
14、运行前期,5种协议的数据量基本相同,但LEACH协议的数据接收量约在410 s出现拐点,并首先出现节点死亡,约在6 9 0 s节点全部死亡,接收的数据总量为1543675B;基于簇头密度均匀化的LEACH-DE协议约在42 0 s出现节点死亡,约在7 2 0 s节点全部死亡,接收的数据总量为17 0 2 541B;基于减小簇头边缘化的LEACH-MA协议约在440 s出现节点死亡,约在7 40 s节点全部死亡,接收的数据总量为18 7 7 49 2 B基于剩余能量的LEACH-EN协议约在450 s出现节点死亡,约在7 6 0 s节点全部死亡,接收的数据总量为19 8 2 47 4BLEACH
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 LEACH 协议 定位 算法 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。