能耗均衡的WSN非均匀分簇路由算法研究

发布时间：2020-10-24 17:30

　　无线传感器网络因其设置灵活而在商业、医疗、民用、军工业等各方面被广泛应用。如何高效利用传感器节点的能量并均衡其能耗,延长整个网络使用寿命,提高网络系统质量,一直以来都是该领域研究人员密切关注的问题。本文针对传感器网络中存在的能耗不均衡、能量利用率低等问题,首先设计了一种基于负载的能耗均衡非均匀分簇路由改进算法ECUCL,在此基础上又设计了一种基于梯度划分的能耗均衡非均匀分簇路由改进算法ECUCL-G。论文主要工作和创新点包含以下:(1)设计了一种基于负载的能耗均衡非均匀分簇路由算法ECUCL。为了进一步避免簇头的分布不均现象,ECUCL算法综合节点剩余能量、邻居节点数和邻居距离方差对成簇机制进行优化;在入簇过程中考虑邻居节点数和邻居距离方差来反映节点的负载,并通过权值和修正因子调节三个因素的影响比重;在多跳传输时,不仅考虑自身与下一跳的距离,还考虑了下一跳的剩余能量、成员节点数和成员节点到簇头的距离方差,以选择更有能力承担转发任务的节点。(2)设计了一种基于梯度的能耗均衡非均匀分簇路由算法ECUCL-G。在自由空间能耗模型传输中,以每轮每梯度内信息传输的能耗近似相等为原则划分梯度宽度,并确定梯度内的簇头数,再将此思想应用到ECUCL算法中,从平衡局部能耗的角度出发,实现全局的能耗平衡。(3)通过Matlab仿真实验,对本文的ECUCL和ECUCL-G算法的簇头分布、多跳路由、网络生存时间和节点平均剩余能量等性能指标进行了分析与验证。实验结果表明,与现有的EEUC算法和DEBUC算法相比,ECUCL算法因考虑节点在竞选簇头、入簇和选择中继节点时的承载能力,而不是片面地考虑能量和距离,所以在能耗上更加均衡。ECUCL-G算法通过划分梯度限制全网数据都是以自由空间模型传输,并且控制梯度间能耗大致相等,从而在能耗最大的无线通信阶段节省了大量能量,且与ECUCL算法相比,ECUCL-G算法更好的均衡了节点的能耗,有效改善了网络中存在的热区问题,延长了网络生命周期。
【学位单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5;TP212.9
【部分图文】：

能耗模型

图 3.1 WSN 能耗模型一源节点向距离 d 处的目标节点发送 l 比特的数据时，通过比较距离 d 值 d0的大小而采用不同的能耗模型进行计算，能耗计算公式如下： +≥+<=0402,,(,)lEldddlEldddEldelecampelecfsTxεε(3RxelecE (l )=lE(3Tx(l,d)是节点传输 l 比特数据到距离 d 处的目标节点需要消耗的能量，ERx节点接收 l 比特数据所消耗的能量，Eelec是射频能耗系数。对于式（3.1计算公式，一种是自由空间信道模型，其中的 εfs是在自由空间模型下发特数据的功率放大系数，此时 d 小于距离阈值 d0，发射功率以 d2衰减；多路衰减信道模型，其中的 εamp是在多路衰减信道模型下发送单位比特率放大系数，此时 d 大于等于距离阈值 d0，发射功率以 d4衰减[43]。距ampfsdεε0 =。在数据传输阶段节点的总能耗 E(l)为数据发送和数据接收能耗式(3.3)所示。

分布仿真