基于节点剩余能量簇头选举算法

1、基于节点剩余能量簇头基于节点剩余能量簇头选举算法研究选举算法研究姓名：孙宝霞姓名：孙宝霞导师：王卫星导师：王卫星 教授教授论文结构论文结构n前言前言n分簇路由协议分簇路由协议nLEACHLEACH协议及其改进算法协议及其改进算法LEACHNEWLEACHNEWn基于节点剩余能量簇头选举算法基于节点剩余能量簇头选举算法MLEACHMLEACHn仿真测试及结果分析仿真测试及结果分析n结论与讨论结论与讨论1 1 前言前言 1.11.1 无线传感器网络概念及意义无线传感器网络概念及意义n无线传感器网络是由一组无线传感器以自组织方式无线传感器网络是由一组无线传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作

2、地感知、采集和处构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送给观测理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送给观测者。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息者。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式，已引起了国内外学者们的高度重视：处理模式，已引起了国内外学者们的高度重视：20032003年，美国年，美国技术评论技术评论杂志论述杂志论述未来十大新兴未来十大新兴技术时，无线传感器网络被列为第一项技术时，无线传感器网络被列为第一项；同年，美；同年，美国国商业周刊商业周刊未来技术专版，未来技术专版，论述四大新技术时，论述四大新技术时，无线传感器网络也列入

3、其中。无线传感器网络也列入其中。 1.2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构1.3 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用n军事应用军事应用n环境科学环境科学n医疗健康医疗健康n空间探索空间探索n农业应用农业应用n其他商业应用其他商业应用2 分簇路由协议分簇路由协议2.1 分簇路由协议拓扑结构分簇路由协议拓扑结构2.2 分簇路由协议优点分簇路由协议优点n节省了网络能量；节省了网络能量；n减少了数据通信量；减少了数据通信量；n无需维护复杂的路由信息；无需维护复杂的路由信息；n拓扑结构便于管理，可扩展性，大规模网拓扑结构便于管理，可扩展性，大规模网络；络； n更容易克服传感器节点移动带

4、来的问题。更容易克服传感器节点移动带来的问题。 3 LEACH协议及其改进算法协议及其改进算法LEACHNEW3.1 LEACH协议协议n LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） 低功耗自适应分簇路由算法低功耗自适应分簇路由算法nLEACH协议中定义了协议中定义了“轮轮”( (roundround) )的概念，的概念，每一轮分为每一轮分为启动启动和和稳定工作稳定工作两个阶段。两个阶段。 3.2 LEACH簇形成算法簇形成算法广播簇头的状态广播簇头的状态节点节点i是簇头吗？是簇头吗？等待簇头发等待簇头发送广播送广播将加入请求消息发将加入请求

5、消息发送给选定的簇头送给选定的簇头等待加入请等待加入请求消息求消息创建创建TDMA时刻表并时刻表并将它发送给成员。将它发送给成员。t=0等待来自簇头的等待来自簇头的时刻表。时刻表。t0稳定工作状态稳定工作状态是是否否广播阶段广播阶段簇的形成簇的形成时刻表的创建时刻表的创建 n簇头选举过程簇头选举过程otherwiseGnifprpp0)1mod(1T (n) =Random T (n), Random =.maxenergy求出簇中剩余能量最大的节点作为新一轮的簇求出簇中剩余能量最大的节点作为新一轮的簇头头r = r+1否否是是否否dead = dead +1是是MLEACH算算法法流流程程图

6、图选举系选举系数数4.2 选举系数的静态选举选举系数的静态选举n设置合理可行的选举系数是本算法的关键，设置合理可行的选举系数是本算法的关键，它决定了它决定了簇头选举时间簇头选举时间和和轮数轮数。 取值太小，一些节点提前死亡取值太小，一些节点提前死亡取值太大，冗余的簇头选举过程取值太大，冗余的簇头选举过程选举系数选举系数4.2.1 影响选举系数的因素影响选举系数的因素n选举系数主要与三个因素有关：选举系数主要与三个因素有关： （1 1）节点数目）节点数目 n n；（2 2）簇成员节点能量消耗）簇成员节点能量消耗 ECcmECcm；（3 3）簇头节点能量消耗）簇头节点能量消耗 ECchECch。n

7、使用仿真工具使用仿真工具MATLABMATLAB进行仿真测试，在其进行仿真测试，在其它因素不变的情况下设定某一因素按一定它因素不变的情况下设定某一因素按一定规律变化。规律变化。选举系数选举系数与节点数目与节点数目n n的关系的关系 ECch=10mJ与与n n成正比，与成正比，与ECcmECcm成正比成正比ECcm=2mJECcm=0.5mJ选举系数选举系数与簇成员能耗与簇成员能耗ECcmECcm的关系的关系 n=50与与ECcmECcm成正比，与成正比，与ECchECch成反比成反比ECch=2mJECch=6mJ选举系数选举系数与簇头能耗与簇头能耗ECchECch的关系的关系 n=50与与

8、ECchECch成反比，成反比，与与ECcmECcm成正比成正比ECcm=0.7mJECcm=0.2mJ4.2.2 线性回归线性回归 0.003579*n + 0.152*ECcm 0.0291*ECch + 0.682 5 仿真测试及结果分析仿真测试及结果分析 5.1 仿真环境仿真环境n无线电传输能源损耗模型无线电传输能源损耗模型dkEelecdkamp2kEelec),(dkETx)(kERx发发 射射电电 路路发发 射射放大器放大器接接 收收电电 路路K bit 数据数据K bit 数据数据5.1 仿真环境仿真环境n信道模型信道模型（1 1）簇头节点与）簇头节点与SinkSink节点间的

9、通信是双路径模式节点间的通信是双路径模式（2）簇头节点与其成员节点的通信是自由空间模式簇头节点与其成员节点的通信是自由空间模式dEEEtoSinkmpDAelecCHlkNlkNl4dEEtoCHfselecCHnonll25.2 仿真结果分析仿真结果分析 5.2.1 评价参数评价参数nDCP_first，DCP_last；nr_first，r_last；nDCP。 DCPDCPDCP_lastDCP_lastDCP_firstDCP_first数据传输回合数据传输回合DCP (Data DCP (Data Communication Procedure)Communication Proce

10、dure)，用于数据传输一个回合，网络每完用于数据传输一个回合，网络每完成一次数据传输，成一次数据传输，DCPDCP增增1 15.2.2 试验结果及分析试验结果及分析n能量消耗均匀性试验能量消耗均匀性试验 MLEACH协议中能协议中能量消耗均量消耗均匀性分别匀性分别提高提高84.53和和80.36 各协议各协议DCP_firstDCP_first和和DCP_lastDCP_last随随n n的变化的变化 两曲线接两曲线接近重合近重合提高了能量提高了能量消耗均匀性消耗均匀性MLEACH协议首个协议首个死亡节点死亡节点出现时间出现时间分别延迟分别延迟43.24和和37.7 n数据传输能力试验数据传

11、输能力试验 MLEACH协议数据协议数据传输能力传输能力分别提高分别提高21.56和和21.88 n数据传输能力试验数据传输能力试验 n轮数试验轮数试验 MLEACH协议中协议中r_last值分值分别降低别降低61.24和和61.556 结论与讨论结论与讨论 n分析无线传感器网络路由协议；分析无线传感器网络路由协议； n提出基于节点剩余能量簇头选举算法；提出基于节点剩余能量簇头选举算法；n算法的设计和验证。算法的设计和验证。 6.1 结论结论6.2 讨论与展望讨论与展望n缺乏统一的评价参数缺乏统一的评价参数；n设计和实现多层网络；设计和实现多层网络； n硬件平台上搭建小型无线传感器网络。硬件平台上搭建小型无线传感器网络。 致致 谢谢n首先，衷心感谢我的导师王卫星教授！本论文是在王老师首先，衷心感谢我的导师王卫星教授！本论文是在王老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，从论文的选题、研究方的亲切关怀和悉心指导下完成的，从论文的选题、研究方案的确定、试验的进行到论文的完成都倾注了王老师的热案的确定、试验的进行到论文的完成都倾注了王老师的热情和心血。情和心血。 n对学院各级领导在学习和生活上给予关心和照顾深表谢意！对学院各级领导在学习和生活上给予关心和照顾深表谢意！n论文完成期间，得到了硕士生黄莺，尹东晓、郭胜君等同论文完成期间，得到了硕士生黄莺，尹东晓、郭胜君等同学