论文研究-一种基于负载均衡的无线传感器网络节能分簇算法 .pdf
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2019-08-20
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一种基于负载均衡的无线传感器网络节能分簇算法
姬宁，崔晓燕
北京邮电大学自动化系，北京(100876)
E-mail：saysee2000@gmail.com
摘 要：由于无线传感器节点的能量是有限的，如何延长节点和网络的工作寿命成为一个很
关键的问题。LEACH 算法采用本地簇头随机轮转机制将能量负载分担给网络中的所有传感
器节点，但是，簇头选举的随机性和簇内节点数目的不均衡可能导致某些节点过快耗尽能量
而死亡。本文提出了一种基于负载均衡的簇头选举方案，采用粒子群优化(PSO)算法先行分
簇，然后考虑能量和距离再推举出簇头。仿真结果表明，该算法比 LEACH 更有效地平衡了
能量消耗，并显著延长了网络的存活时间。
关键词：传感器网络，粒子群优化，负载均衡，分簇
中图分类号：TN929.5
1. 引言
无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，它可以广泛
地应用于军事、工业控制、环境监测等诸多领域，尤其适合部署在环境恶劣和人员不易到达
的场所。
与传统网络不同，构成无线传感器网络的节点能量是有限的，且耗尽之后难以补充，所
以，高效的利用节点能量，尽可能延长网络的存活时间成为网络协议设计的重要目标之一。
研究表明，对于大规模的无线传感器网络，层次型分簇路由算法比平面路由算法具有更好的
适应性和节能性
[1]
。
近年来，研究人员提出了多种传感器网络的分簇算法
[7]
，其中比较典型的是 W.
Heinzelma 等人提出的一种低功耗自适应分簇算法 LEACH
[2]
。LEACH 算法将各个节点进行
分簇，每个簇中有一个簇头节点专门负责收集其成员的数据进行融合后发送给基站，由于簇
头必须消耗更多的能量来进行数据的处理和转发，LEACH 通过随机簇头轮转的方法使得各
个节点轮流担任簇头的职责。尽管 LEACH 有效的节省了能量消耗，并充分考虑了数据的相
关性，但是仍然存在一些不足：首先，它没有考虑到节点分布的拓扑结构，可能距离很近的
两个节点同时成为簇头，这样，密集区域就被拆分为多个簇；其次，簇头选举的过程没有考
虑节点的能量问题，可能能量较低的节点被选为簇头，会导致该节点过早的耗尽能量而死亡；
第三，没有考虑节点之间的距离，这种情况下簇内的能量消耗并不是最优值。
本文提出了一种基于负载均衡的分簇算法，利用粒子群优化算法(PSO)进行分簇，使得
每个簇内包含的节点数目相同，然后充分考虑距离和能量的因素选举出簇头，该算法能够使
各节点均衡地分担负载，并有效降低了系统的能量消耗。
2. 问题描述
在实际的网络环境中，节点并不是平均分布在整个区域的，随机簇头选举算法的结果可
能导致各个簇的规模相差很大，这就意味着节点密集区域的簇头要承担更多的数据处理和转
发任务，比稀疏节点区域的簇头能量消耗要大得多，也就有可能因能量耗尽而过早的死亡。
出于均衡负载的考虑，我们希望能将整个区域划分成规模相等的若干个簇，每个簇内的节点
数目相等。
首先，我们作出以下假设：
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