论文研究-基于信息素的无线传感器网络LEACH-M协议改进 .pdf

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基于信息素的无线传感器网络LEACH-M协议改进,严斌亨,刘军,针对移动无线传感器网络LEACH-M协议随机选举簇首,导致节点能耗不均匀、网络生命周期短等问题,提出了一种选举最佳簇首的ECHS(Enhanced
取国科技论又在线 哪·个簇,加入之后,簇首为该节点重新分配吋隙。 LEACH-M协议的不足 协议的不足如下: )采用随机选举簇首的方法,没有充分考虑到节点当前的各项指标、参数等问题,无 法确保合理的最优簇首分布。 )簇首的选举没有考虑传感器节点的移动特性,一旦簇首移出所属簇,成员节点将无 法收到簇首发来的数据请求消息,并且将不得不中请加入其他簇。 )时隙分配不灵活,一方面,协议需要个时隙来确定节点是否移出所属的簇,如果 某一成员节点在到达自己时隙之前已经移出原来的簇,便会导致数据的失效;另一方面,簇 首无法动态及时地为从其他簇移动过来的新加入的节点分配空闲时隙,容易造成数据的廷 基于能量和信息素的 协议 针对上述 协议的特点和问题,木文提出了一种选举最佳簇首的 协议。该协议工作过程中,首先将节 点剩余氽能量与网终平均能量进行比较,筛选出候选簇首节点;之后定义信息素来衡量各候选 簇首节点担任簇首的能力,保证簇首的选举兼顾∫节点的能量因素和移动性;尔后进入数据 稳定传输阶段,该阶段利用与 协议致的工作方式,在此不再赘述。 协议的能耗模型 本文假设的网终采用简单能量消耗模型。传感器节点将比特的数据包传送到距离为 的另一个传感器节点,所需的发射能耗和接收能耗分别为 式中,是指电路发送或者接收数据所消耗的能量,ε和ε分别是远距离和 近距离传输时的射频参数,由功率放大器决定;是能量模型的传输临界距离,若< 采用自由空间衰落模型,若≥,则采用多径衰落信道模型。 相关定义 定义每个节点都有一个唯一的且可排序的序号,即节点的 定义节点移动性为节点相对于基站的移动速度,即 定义将节点的信息素为: C 式中,为调节因子,=√ 为节点到基站的距离; 为节点的坐 为基站的坐标。由式可以看出信息素综合考虑∫节点的移动性和位置。 定义通过比较节点剩余能量和节点信息素两个因素,虽然选举的簇首更具合理性, 但是却增加了网终时延。因此,本文在候选簇首广播竞争信息时定义了节点竞争等待时间 即: 取国科技论又在线 式中,ω为竞争簇首时节点等待的时问系数;为竞争簇首的节点移动程度,越大, 表示竞争簇首的节点相对基站运动越频繁,应该缩短竞选簇首的周期;反之,越小,可 以适当延长竞选簇首的周期 协议的基本思想 协议的建立阶段包括初始化、簇首选举、簇建立。其中,初始化主要用于广播 包;簇首选举主要是在节点中筛选岀更适合担仨簇首的节点;簇建立主要是簇首分 配 时隙及簇成员加入簇的过程 初始化阶段 当节点被随机分布到监测区域之后,在新一轮开始时,基站用固定的发送功率向网络广 播一个 消息,节点接收到 包后将自凵的当前节点信息传送给基站。节点信 息表如图所示。 DATA Node Residual Mobility Distance Destination Energy Factor To BS 图节点信息表 每个节点维护一张节点信息表,各个字段表示的信息如下。 :初始化阶段为每一个节点分[的号 节点剩余能量 节点相对移动性大小; 节点距基站的距离 :目的节点 )簇首选举及簇的形成 首先节点将剩余能量与网络平均能量进行比较,判定是否参与簇首选举;之后在候选簇 首间进行比较,通过考虑节点移动性和节点信息素来确定簇首。信息素大小由式求得。 在实际应用中,由于监测区域的事件发生地点和环境等的不同,使得传感器节点不可能 均匀地分布于复杂环境中。在本文提出的路由协议中,假设节点的地理位置可知,根据文献 提出的 办议进行簇的划分,本文定义簇的半径为 式中,表小节点竞选簇首的成簇半径;和分别表小冈络中节点距离基站的最大 和最小距离:为节点与基站的距离;为介于之间的调节系数。由式可知,通信 半径由和共同决定。其中,为簇的最大范围,节点和基站之间的间距越小,则簇建 立的范围越小,所划分的簇区域越多。此时,便有许多与基站间距小的簇首可以担负数据的 融合和转发。 具体成簇步骤如下。 步骤络初始化,通过广播信息包使各节点获得自身的号码以及参数 步骤第·轮随机选举簇首之后,芢节点自身剩余能量大于网络平均剩余能量,则节 点当选候选簇首。由式知,候选簇首在自己的竞争半径内广播竞争消息 ),可发现竞争邻居节点的消息 步骤若邻居节点的当前自身能量大J网络平均能量,则向竞争范围内广播竞争簇首 的消息;否则,等待加入某簇的消息 步骤由定义计算候选簇首的等待时间,若在等待时间内接攻到其他竞争消息 取国科技论又在线 则比较接收到的 信息素大的成为簇首;如果没有接受到竞争消息或者 超过等待时间,则节点就向网络广播自身为簇首的消息 步骤簇首选举成功之后,向所有邻居节点发送当选簇首的消息,即 步骤未当选簇首的节点在接收到簇首发米的 之后,根据该消息信 号的强弱,选择发送请求加入某一簇的消息 ,而后将自己的状态改为某一簇的成 员 步骤重复步骤~步骤,直到所有的非簇首节点都成为簇的成员节点。 仿真结果与分析 为∫验证 协议的性能,采用 工只进行仿真,对实验模型作如下假设 )只有一个固定基站,且基站距离监测区域有一定距离 )每个移动节点都是同构的且都拥有独一无二的序号 )传感器节点以相同的、持续的运动频率进行移动。 )所有移动节点都有足够的能量与其他节点或者直接与基站进行通信。 )节点可以通过获取自身坐标。 仿真中,将初始能量为的个移动速度为 的节点随机分布于 的覆盖区域內,信道的带宽是实验仿真的其他参数如表所示。 表1仿真参数 自由空间衰落模型能耗系欻ε多径衰落信道模型能耗系数ε 数据包大小 广播包人小 接收或发送数据的能量消耗 簇首融合数据包的能量消耗 节点信息素调节因子a 簇的竞争半径 竞争簇首等待的时间系数 为」验证理论结果,本文从节点存活数量以及网络能耗两方面进行对比分析。 存活节点数的比较如图所示。 4—又献改进协议 付间 图存活节点数的比较 由图可以看出, 协议第一个节点的死亡时间为第, 时存活节 点数仅为个;而文献的改进协议第个节点死亡的时间为第 在 左右时 节点基本死亡; 协议由于考虑了节点的剩佘能量和节点信息素等因素,使得第一个节 点的死亡时间较 延后了约 后存活的节点仍有个。从整体上分析 可得知, 协议改进了随机选举簇首的不足,均衠了簇首的能量消耗,使得其较 协议以及文献的改进协议出现第一个死亡节点的时间分别延后了约和 ,网络生命周期延长了和因此, 协议较 协议及其原改进的 协议,延长∫网络的生存时间。 取国科技论又在线 网络总能耗的比较如图所示。 ++ 温游 文献改进办议 时间 图网络总能耗的比较 由图可以看岀,在网络运行的整个周期里,本文改进的协议的总能耗一直低于 及文献的改进协议的总能耗,网络节点的总能耗得到了有效的均衡。这是由于 协议考虑了移动节点的剩佘能量和节点信息素等因索,能更好地均衡簇首能耗,从而 有效降低每一轮周期内网络的能量消耗,提高网络寿命。 结束语 本文通过对 协议选举簇首原理的研究,提出了一种选举最佳簇首的 协议,通过考虑节点自身的参数以及信息素的大小,从而可筛选出最佳簇首。对 及改进的协议进行的仿真表明,相对于 协议及已有的改进协议,本文提出的改进 后的协议的网络节点存活时间长,能够有效均衡网络能量,延长网络寿命,有效优化了原有 协议的不足。当然,除簇首选择阶段外,协议的成簇机制以及节点的通信方式等,都 还可以继续进行优化。 参考文献 饯志鸿王义君面向物联网的无线传感器网络综述电子与信息学报 张生凤徐志良吴哓蓓等栘动尢线传感器网终群组栘动的连通性保证中国科技论文 周颖艺移动无线传感器网络路由协议的研究南京南京邮电大学 裕琴张中移动无线传感器冈终中基于簇的功率控制路由微电子学与计算机 取国科技论又在线 张绪昌何加铭谢志军冯波无线传感网络移动分簇路由策略无线电通信技术 王开通熊庆宇王小刚等无线传感器网络 路由协议研究与改进计算机工程与应用 李法成陈贵海叶懋等一种基于非均匀分簇的无线传感器计算机学报

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