基于改進(jìn)LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法研究

基于改進(jìn)LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法研究基于改進(jìn)LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法研究

摘要：隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，能源消耗已成為限制其持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵因素。而LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）是當(dāng)前最常用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法之一，但其在網(wǎng)絡(luò)壽命、能源均衡以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面仍存在一些不足。本研究在LEACH算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的節(jié)能路由算法，通過增加節(jié)點傳輸閾值、引入期望能耗等措施，實現(xiàn)了更有效的能耗管理與節(jié)點選擇，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命，提高了能源利用效率。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)能路由算法，LEACH，能源消耗，節(jié)點選擇

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是由大量具有自我組織、自主感知、自適應(yīng)處理和通信能力的分布式傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)。其廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能交通等領(lǐng)域。然而，由于傳感器節(jié)點的能源有限，并且很難進(jìn)行更換或充電，節(jié)能成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中亟待解決的問題。

目前，LEACH是被廣泛采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議之一，其通過分簇的方式將節(jié)點劃分為若干簇，并選擇在每個簇中充當(dāng)簇頭的節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合與傳輸，以達(dá)到節(jié)能的目的。但是，LEACH算法存在著一些問題，如網(wǎng)絡(luò)壽命短、簇頭節(jié)點能量消耗過快等。

二、改進(jìn)算法設(shè)計

2.1節(jié)點選擇機(jī)制

為了解決LEACH中簇頭節(jié)點能量消耗過快的問題，本研究引入了節(jié)點傳輸閾值的概念。在每個輪次開始前，每個節(jié)點根據(jù)其剩余能量與傳輸閾值之間的關(guān)系，決定是否參與選取簇頭節(jié)點。具體而言，節(jié)點的剩余能量大于傳輸閾值，則有機(jī)會成為簇頭節(jié)點；剩余能量小于傳輸閾值，則不能成為簇頭節(jié)點，轉(zhuǎn)而成為普通節(jié)點。

2.2能量均衡機(jī)制

為了解決網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量分布不均衡的問題，本研究引入了期望能耗的概念。期望能耗是指節(jié)點在一輪中預(yù)期所消耗的能量，根據(jù)節(jié)點的能量與簇中其他節(jié)點的能量之間的差異，調(diào)整節(jié)點的期望能耗。具體而言，能量較高的節(jié)點期望能耗增加，能量較低的節(jié)點期望能耗減少。通過調(diào)整期望能耗來實現(xiàn)能量的均衡分布。

2.3數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

在每個簇中，簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的聚合與傳輸。為了減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?，本研究采用了?shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)凈化的技術(shù)。數(shù)據(jù)壓縮將部分冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)；數(shù)據(jù)凈化則通過多節(jié)點的數(shù)據(jù)重復(fù)，濾除了噪聲數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的有效性。

三、實驗與結(jié)果分析

為了驗證改進(jìn)算法的有效性，本文設(shè)計了一組實驗，與LEACH進(jìn)行對比。實驗環(huán)境為一個具有100個節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并采用了真實環(huán)境中的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

實驗結(jié)果表明，改進(jìn)算法相較于LEACH，在網(wǎng)絡(luò)壽命、能源均衡、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面都取得了顯著的改善。在改進(jìn)算法中，節(jié)點的平均壽命相較于LEACH提高了20%以上；能源均衡性得到了明顯改善，能量消耗差異較小；網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積也得到了一定的提高。

四、結(jié)論

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能源消耗的問題，本研究對LEACH算法進(jìn)行了改進(jìn)，并設(shè)計了一種新的基于改進(jìn)LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法。改進(jìn)算法通過增加節(jié)點傳輸閾值、引入期望能耗等措施，有效提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源利用效率，延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命。實驗結(jié)果顯示，改進(jìn)算法在網(wǎng)絡(luò)壽命、能源均衡、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面都有明顯的優(yōu)勢。然而，本研究還存在一些局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

綜上所述，本研究對LEACH算法進(jìn)行了改進(jìn)，并設(shè)計了一種新的基于改進(jìn)LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法，通過增加節(jié)點傳輸閾值、引入期望能耗等措施，有效提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源利用效率，延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命。實驗結(jié)果表明