基于節(jié)點剩余能量簇頭選舉算法

1、基于節(jié)點剩余能量簇頭基于節(jié)點剩余能量簇頭選舉算法研究選舉算法研究姓名：孫寶霞姓名：孫寶霞導(dǎo)師：王衛(wèi)星導(dǎo)師：王衛(wèi)星 教授教授論文結(jié)構(gòu)論文結(jié)構(gòu)n前言前言n分簇路由協(xié)議分簇路由協(xié)議nLEACHLEACH協(xié)議及其改進算法協(xié)議及其改進算法LEACHNEWLEACHNEWn基于節(jié)點剩余能量簇頭選舉算法基于節(jié)點剩余能量簇頭選舉算法MLEACHMLEACHn仿真測試及結(jié)果分析仿真測試及結(jié)果分析n結(jié)論與討論結(jié)論與討論1 1 前言前言 1.11.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念及意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念及意義n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組無線傳感器以自組織方式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組無線傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作

2、地感知、采集和處構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并發(fā)送給觀測理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并發(fā)送給觀測者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和信息者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和信息處理模式，已引起了國內(nèi)外學(xué)者們的高度重視：處理模式，已引起了國內(nèi)外學(xué)者們的高度重視：20032003年，美國年，美國技術(shù)評論技術(shù)評論雜志論述雜志論述未來十大新興未來十大新興技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項；同年，美；同年，美國國商業(yè)周刊商業(yè)周刊未來技術(shù)專版，未來技術(shù)專版，論述四大新技術(shù)時，論述四大新技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入

3、其中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。 1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用n軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用n環(huán)境科學(xué)環(huán)境科學(xué)n醫(yī)療健康醫(yī)療健康n空間探索空間探索n農(nóng)業(yè)應(yīng)用農(nóng)業(yè)應(yīng)用n其他商業(yè)應(yīng)用其他商業(yè)應(yīng)用2 分簇路由協(xié)議分簇路由協(xié)議2.1 分簇路由協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分簇路由協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2 分簇路由協(xié)議優(yōu)點分簇路由協(xié)議優(yōu)點n節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量；節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量；n減少了數(shù)據(jù)通信量；減少了數(shù)據(jù)通信量；n無需維護復(fù)雜的路由信息；無需維護復(fù)雜的路由信息；n拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，可擴展性，大規(guī)模網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，可擴展性，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；絡(luò)； n更容易克服傳感器節(jié)點移動帶

4、來的問題。更容易克服傳感器節(jié)點移動帶來的問題。 3 LEACH協(xié)議及其改進算法協(xié)議及其改進算法LEACHNEW3.1 LEACH協(xié)議協(xié)議n LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） 低功耗自適應(yīng)分簇路由算法低功耗自適應(yīng)分簇路由算法nLEACH協(xié)議中定義了協(xié)議中定義了“輪輪”( (roundround) )的概念，的概念，每一輪分為每一輪分為啟動啟動和和穩(wěn)定工作穩(wěn)定工作兩個階段。兩個階段。 3.2 LEACH簇形成算法簇形成算法廣播簇頭的狀態(tài)廣播簇頭的狀態(tài)節(jié)點節(jié)點i是簇頭嗎？是簇頭嗎？等待簇頭發(fā)等待簇頭發(fā)送廣播送廣播將加入請求消息發(fā)將加入請求

5、消息發(fā)送給選定的簇頭送給選定的簇頭等待加入請等待加入請求消息求消息創(chuàng)建創(chuàng)建TDMA時刻表并時刻表并將它發(fā)送給成員。將它發(fā)送給成員。t=0等待來自簇頭的等待來自簇頭的時刻表。時刻表。t0穩(wěn)定工作狀態(tài)穩(wěn)定工作狀態(tài)是是否否廣播階段廣播階段簇的形成簇的形成時刻表的創(chuàng)建時刻表的創(chuàng)建 n簇頭選舉過程簇頭選舉過程otherwiseGnifprpp0)1mod(1T (n) =Random T (n), Random =.maxenergy求出簇中剩余能量最大的節(jié)點作為新一輪的簇求出簇中剩余能量最大的節(jié)點作為新一輪的簇頭頭r = r+1否否是是否否dead = dead +1是是MLEACH算算法法流流程程圖

6、圖選舉系選舉系數(shù)數(shù)4.2 選舉系數(shù)的靜態(tài)選舉選舉系數(shù)的靜態(tài)選舉n設(shè)置合理可行的選舉系數(shù)是本算法的關(guān)鍵，設(shè)置合理可行的選舉系數(shù)是本算法的關(guān)鍵，它決定了它決定了簇頭選舉時間簇頭選舉時間和和輪數(shù)輪數(shù)。 取值太小，一些節(jié)點提前死亡取值太小，一些節(jié)點提前死亡取值太大，冗余的簇頭選舉過程取值太大，冗余的簇頭選舉過程選舉系數(shù)選舉系數(shù)4.2.1 影響選舉系數(shù)的因素影響選舉系數(shù)的因素n選舉系數(shù)主要與三個因素有關(guān)：選舉系數(shù)主要與三個因素有關(guān)： （1 1）節(jié)點數(shù)目）節(jié)點數(shù)目 n n；（2 2）簇成員節(jié)點能量消耗）簇成員節(jié)點能量消耗 ECcmECcm；（3 3）簇頭節(jié)點能量消耗）簇頭節(jié)點能量消耗 ECchECch。n

7、使用仿真工具使用仿真工具MATLABMATLAB進行仿真測試，在其進行仿真測試，在其它因素不變的情況下設(shè)定某一因素按一定它因素不變的情況下設(shè)定某一因素按一定規(guī)律變化。規(guī)律變化。選舉系數(shù)選舉系數(shù)與節(jié)點數(shù)目與節(jié)點數(shù)目n n的關(guān)系的關(guān)系 ECch=10mJ與與n n成正比，與成正比，與ECcmECcm成正比成正比ECcm=2mJECcm=0.5mJ選舉系數(shù)選舉系數(shù)與簇成員能耗與簇成員能耗ECcmECcm的關(guān)系的關(guān)系 n=50與與ECcmECcm成正比，與成正比，與ECchECch成反比成反比ECch=2mJECch=6mJ選舉系數(shù)選舉系數(shù)與簇頭能耗與簇頭能耗ECchECch的關(guān)系的關(guān)系 n=50與與

8、ECchECch成反比，成反比，與與ECcmECcm成正比成正比ECcm=0.7mJECcm=0.2mJ4.2.2 線性回歸線性回歸 0.003579*n + 0.152*ECcm 0.0291*ECch + 0.682 5 仿真測試及結(jié)果分析仿真測試及結(jié)果分析 5.1 仿真環(huán)境仿真環(huán)境n無線電傳輸能源損耗模型無線電傳輸能源損耗模型dkEelecdkamp2kEelec),(dkETx)(kERx發(fā)發(fā) 射射電電 路路發(fā)發(fā) 射射放大器放大器接接 收收電電 路路K bit 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)K bit 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)5.1 仿真環(huán)境仿真環(huán)境n信道模型信道模型（1 1）簇頭節(jié)點與）簇頭節(jié)點與SinkSink節(jié)點間的

9、通信是雙路徑模式節(jié)點間的通信是雙路徑模式（2）簇頭節(jié)點與其成員節(jié)點的通信是自由空間模式簇頭節(jié)點與其成員節(jié)點的通信是自由空間模式dEEEtoSinkmpDAelecCHlkNlkNl4dEEtoCHfselecCHnonll25.2 仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析 5.2.1 評價參數(shù)評價參數(shù)nDCP_first，DCP_last；nr_first，r_last；nDCP。 DCPDCPDCP_lastDCP_lastDCP_firstDCP_first數(shù)據(jù)傳輸回合數(shù)據(jù)傳輸回合DCP (Data DCP (Data Communication Procedure)Communication Proce

10、dure)，用于數(shù)據(jù)傳輸一個回合，網(wǎng)絡(luò)每完用于數(shù)據(jù)傳輸一個回合，網(wǎng)絡(luò)每完成一次數(shù)據(jù)傳輸，成一次數(shù)據(jù)傳輸，DCPDCP增增1 15.2.2 試驗結(jié)果及分析試驗結(jié)果及分析n能量消耗均勻性試驗?zāi)芰肯木鶆蛐栽囼?MLEACH協(xié)議中能協(xié)議中能量消耗均量消耗均勻性分別勻性分別提高提高84.53和和80.36 各協(xié)議各協(xié)議DCP_firstDCP_first和和DCP_lastDCP_last隨隨n n的變化的變化 兩曲線接兩曲線接近重合近重合提高了能量提高了能量消耗均勻性消耗均勻性MLEACH協(xié)議首個協(xié)議首個死亡節(jié)點死亡節(jié)點出現(xiàn)時間出現(xiàn)時間分別延遲分別延遲43.24和和37.7 n數(shù)據(jù)傳輸能力試驗數(shù)據(jù)傳

11、輸能力試驗 MLEACH協(xié)議數(shù)據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸能力傳輸能力分別提高分別提高21.56和和21.88 n數(shù)據(jù)傳輸能力試驗數(shù)據(jù)傳輸能力試驗 n輪數(shù)試驗輪數(shù)試驗 MLEACH協(xié)議中協(xié)議中r_last值分值分別降低別降低61.24和和61.556 結(jié)論與討論結(jié)論與討論 n分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議；分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議； n提出基于節(jié)點剩余能量簇頭選舉算法；提出基于節(jié)點剩余能量簇頭選舉算法；n算法的設(shè)計和驗證。算法的設(shè)計和驗證。 6.1 結(jié)論結(jié)論6.2 討論與展望討論與展望n缺乏統(tǒng)一的評價參數(shù)缺乏統(tǒng)一的評價參數(shù)；n設(shè)計和實現(xiàn)多層網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計和實現(xiàn)多層網(wǎng)絡(luò)； n硬件平臺上搭建小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。硬件平臺上搭建小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 致致 謝謝n首先，衷心感謝我的導(dǎo)師王衛(wèi)星教授！本論文是在王老師首先，衷心感謝我的導(dǎo)師王衛(wèi)星教授！本論文是在王老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、研究方的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、研究方案的確定、試驗的進行到論文的完成都傾注了王老師的熱案的確定、試驗的進行到論文的完成都傾注了王老師的熱情和心血。情和心血。 n對學(xué)院各級領(lǐng)導(dǎo)在學(xué)習(xí)和生活上給予關(guān)心和照顧深表謝意！對學(xué)院各級領(lǐng)導(dǎo)在學(xué)習(xí)和生活上給予關(guān)心和照顧深表謝意！n論文完成期間，得到了碩士生黃鶯，尹東曉、郭勝君等同論文完成期間，得到了碩士生黃鶯，尹東曉、郭勝君等同學(xué)