能耗均衡的WSN非均勻分簇路由算法研究

發(fā)布時間：2020-10-24 17:30

　　無線傳感器網(wǎng)絡因其設置靈活而在商業(yè)、醫(yī)療、民用、軍工業(yè)等各方面被廣泛應用。如何高效利用傳感器節(jié)點的能量并均衡其能耗,延長整個網(wǎng)絡使用壽命,提高網(wǎng)絡系統(tǒng)質量,一直以來都是該領域研究人員密切關注的問題。本文針對傳感器網(wǎng)絡中存在的能耗不均衡、能量利用率低等問題,首先設計了一種基于負載的能耗均衡非均勻分簇路由改進算法ECUCL,在此基礎上又設計了一種基于梯度劃分的能耗均衡非均勻分簇路由改進算法ECUCL-G。論文主要工作和創(chuàng)新點包含以下:(1)設計了一種基于負載的能耗均衡非均勻分簇路由算法ECUCL。為了進一步避免簇頭的分布不均現(xiàn)象,ECUCL算法綜合節(jié)點剩余能量、鄰居節(jié)點數(shù)和鄰居距離方差對成簇機制進行優(yōu)化;在入簇過程中考慮鄰居節(jié)點數(shù)和鄰居距離方差來反映節(jié)點的負載,并通過權值和修正因子調節(jié)三個因素的影響比重;在多跳傳輸時,不僅考慮自身與下一跳的距離,還考慮了下一跳的剩余能量、成員節(jié)點數(shù)和成員節(jié)點到簇頭的距離方差,以選擇更有能力承擔轉發(fā)任務的節(jié)點。(2)設計了一種基于梯度的能耗均衡非均勻分簇路由算法ECUCL-G。在自由空間能耗模型傳輸中,以每輪每梯度內信息傳輸?shù)哪芎慕葡嗟葹樵瓌t劃分梯度寬度,并確定梯度內的簇頭數(shù),再將此思想應用到ECUCL算法中,從平衡局部能耗的角度出發(fā),實現(xiàn)全局的能耗平衡。(3)通過Matlab仿真實驗,對本文的ECUCL和ECUCL-G算法的簇頭分布、多跳路由、網(wǎng)絡生存時間和節(jié)點平均剩余能量等性能指標進行了分析與驗證。實驗結果表明,與現(xiàn)有的EEUC算法和DEBUC算法相比,ECUCL算法因考慮節(jié)點在競選簇頭、入簇和選擇中繼節(jié)點時的承載能力,而不是片面地考慮能量和距離,所以在能耗上更加均衡。ECUCL-G算法通過劃分梯度限制全網(wǎng)數(shù)據(jù)都是以自由空間模型傳輸,并且控制梯度間能耗大致相等,從而在能耗最大的無線通信階段節(jié)省了大量能量,且與ECUCL算法相比,ECUCL-G算法更好的均衡了節(jié)點的能耗,有效改善了網(wǎng)絡中存在的熱區(qū)問題,延長了網(wǎng)絡生命周期。
【學位單位】：中南民族大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5;TP212.9
【部分圖文】：

能耗模型

圖 3.1 WSN 能耗模型一源節(jié)點向距離 d 處的目標節(jié)點發(fā)送 l 比特的數(shù)據(jù)時，通過比較距離 d 值 d0的大小而采用不同的能耗模型進行計算，能耗計算公式如下： +≥+<=0402,,(,)lEldddlEldddEldelecampelecfsTxεε(3RxelecE (l )=lE(3Tx(l,d)是節(jié)點傳輸 l 比特數(shù)據(jù)到距離 d 處的目標節(jié)點需要消耗的能量，ERx節(jié)點接收 l 比特數(shù)據(jù)所消耗的能量，Eelec是射頻能耗系數(shù)。對于式（3.1計算公式，一種是自由空間信道模型，其中的 εfs是在自由空間模型下發(fā)特數(shù)據(jù)的功率放大系數(shù)，此時 d 小于距離閾值 d0，發(fā)射功率以 d2衰減；多路衰減信道模型，其中的 εamp是在多路衰減信道模型下發(fā)送單位比特率放大系數(shù)，此時 d 大于等于距離閾值 d0，發(fā)射功率以 d4衰減[43]。距ampfsdεε0 =。在數(shù)據(jù)傳輸階段節(jié)點的總能耗 E(l)為數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收能耗式(3.3)所示。

分布仿真