好的分簇方法可以通過有效提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期,文章提出一種基于二分K-means的均勻分簇算法（uniform clustering optimization algorithm,UCOA）。該算法首先基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的理論分析確定網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)簇頭數(shù)目,然后基于最優(yōu)簇頭數(shù)目利用二分K-means算法對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)均勻分簇,加入節(jié)點(diǎn)剩余能量和距離因子改進(jìn)簇頭選舉閾值公式,并且在簇頭與基站通信時(shí)采用單跳和多跳相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式。仿真實(shí)驗(yàn)表明UCOA分簇算法能有效提高節(jié)點(diǎn)耗能均衡性,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,43(01)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

能量損耗模型

LEACH與UCOA分簇算法某輪中的簇頭分布如圖2所示,LEACH分簇算法以隨機(jī)指定的方式選取簇頭節(jié)點(diǎn),不能保證簇頭數(shù)量合理還可能導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)分布不均,有的地方簇頭密集有的地方簇頭稀疏,加劇網(wǎng)絡(luò)能量的損耗。UCOA分簇算法通過設(shè)定最優(yōu)簇頭數(shù)的方式首先對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行均勻分簇,再在各個(gè)簇中利用優(yōu)化過的簇頭選舉算法來選舉簇頭,既保證了簇頭數(shù)量的合理,也保證了簇頭的均勻分布,從而很好地均衡了簇頭以及簇間的能耗均衡。LEACH分簇算法與UCOA分簇算法運(yùn)行期間網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)目變化情況的仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,LEACH分簇算法第1個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡出現(xiàn)在820 輪左右。而UCOA分簇算法第1個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在1 260 輪左右。第1個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)的輪數(shù)推遲了53%左右。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間UCOA分簇算法出現(xiàn)了幾次大面積節(jié)點(diǎn)死亡的現(xiàn)象,這是由于UCOA分簇算法網(wǎng)絡(luò)能耗均勻節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間段集中,但是也恰恰說明節(jié)點(diǎn)的真實(shí)工作效率高。而LEACH分簇算法的節(jié)點(diǎn)死亡相對(duì)比較分散,特別是一些關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)的死亡影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作的效率導(dǎo)致剩下節(jié)點(diǎn)的作用有限。LEACH分簇算法隨機(jī)選舉節(jié)點(diǎn)成為簇頭,容易導(dǎo)致簇頭分布不均,數(shù)量不合適。在簇間傳輸時(shí)只使用單跳傳輸節(jié)點(diǎn)耗能不均。UCOA分簇算法先使用二分K-means將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)均勻分簇,在選舉簇頭時(shí)加入剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站之間距離遠(yuǎn)近做調(diào)節(jié)使得節(jié)點(diǎn)耗能均衡。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)超過80%時(shí)網(wǎng)絡(luò)失效,從80%節(jié)點(diǎn)死亡到全部節(jié)點(diǎn)死亡,UCOA分簇算法只經(jīng)過了很短的時(shí)間。而LEACH分簇算法經(jīng)過了很漫長(zhǎng)的一段時(shí)間。這是由于LEACH算法簇頭的選舉與輪數(shù)r和簇頭概率p有關(guān),隨著網(wǎng)絡(luò)剩余的節(jié)點(diǎn)越來越少,LEACH算法越來越難選出簇頭,在很多輪中其實(shí)是沒有選出簇頭的,也就是網(wǎng)絡(luò)沒有進(jìn)行工作也沒有能量的損耗。而UCOA分簇算法在每個(gè)簇中產(chǎn)生唯一的簇頭,每輪中都會(huì)選擇一個(gè)簇頭。因此從80%死亡節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)全部死亡,UCOA分簇算法經(jīng)歷的時(shí)間非常短。這也說明了UCOA分簇算法耗能更加均衡。為了更直觀地說明UCOA分簇算法的性能,根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同階段的死亡時(shí)間繪制節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間表和節(jié)點(diǎn)生存周期柱狀圖,見表2所列,如圖4所示。

LEACH分簇算法與UCOA分簇算法運(yùn)行期間網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)目變化情況的仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,LEACH分簇算法第1個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡出現(xiàn)在820 輪左右。而UCOA分簇算法第1個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在1 260 輪左右。第1個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)的輪數(shù)推遲了53%左右。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間UCOA分簇算法出現(xiàn)了幾次大面積節(jié)點(diǎn)死亡的現(xiàn)象,這是由于UCOA分簇算法網(wǎng)絡(luò)能耗均勻節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間段集中,但是也恰恰說明節(jié)點(diǎn)的真實(shí)工作效率高。而LEACH分簇算法的節(jié)點(diǎn)死亡相對(duì)比較分散,特別是一些關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)的死亡影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作的效率導(dǎo)致剩下節(jié)點(diǎn)的作用有限。LEACH分簇算法隨機(jī)選舉節(jié)點(diǎn)成為簇頭,容易導(dǎo)致簇頭分布不均,數(shù)量不合適。在簇間傳輸時(shí)只使用單跳傳輸節(jié)點(diǎn)耗能不均。UCOA分簇算法先使用二分K-means將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)均勻分簇,在選舉簇頭時(shí)加入剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站之間距離遠(yuǎn)近做調(diào)節(jié)使得節(jié)點(diǎn)耗能均衡。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)超過80%時(shí)網(wǎng)絡(luò)失效,從80%節(jié)點(diǎn)死亡到全部節(jié)點(diǎn)死亡,UCOA分簇算法只經(jīng)過了很短的時(shí)間。而LEACH分簇算法經(jīng)過了很漫長(zhǎng)的一段時(shí)間。這是由于LEACH算法簇頭的選舉與輪數(shù)r和簇頭概率p有關(guān),隨著網(wǎng)絡(luò)剩余的節(jié)點(diǎn)越來越少,LEACH算法越來越難選出簇頭,在很多輪中其實(shí)是沒有選出簇頭的,也就是網(wǎng)絡(luò)沒有進(jìn)行工作也沒有能量的損耗。而UCOA分簇算法在每個(gè)簇中產(chǎn)生唯一的簇頭,每輪中都會(huì)選擇一個(gè)簇頭。因此從80%死亡節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)全部死亡,UCOA分簇算法經(jīng)歷的時(shí)間非常短。這也說明了UCOA分簇算法耗能更加均衡。為了更直觀地說明UCOA分簇算法的性能,根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同階段的死亡時(shí)間繪制節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間表和節(jié)點(diǎn)生存周期柱狀圖,見表2所列,如圖4所示。表2 節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間對(duì)照 輪 死亡節(jié)點(diǎn) 輪數(shù) LEACH UCOA 第1個(gè)節(jié)點(diǎn) 821 1 266 第50個(gè)節(jié)點(diǎn) 982 1 556 第80個(gè)節(jié)點(diǎn) 1 109 1 768 所有節(jié)點(diǎn) 2 487 1 783

【參考文獻(xiàn)】：
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