基于无线传感器网络的能量有效成簇算法研究

摘要：本文介绍了无线传感器网络，重点研究了基于LEACH的能量有效成簇算法，针对能量异构的网络环境下提出了一种分布式能量有效的成簇策略。该策略中，簇头的选择是基于节点的剩余能量与网络节点的平均能量的比例来进行的，较高的初始能量和剩余能量的节点比低能量节点会拥有更多的机会成为簇头节点，从而使网络能量均匀消耗，延长网络的生存时间。采用MATLAB网络仿真工具对该路由协议进行了整体仿真，并对其数据进行了分析。

关键词：无线传感器网络 能量异构 MATLAB

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0132-01

无线传感器网络节点数量庞大、单个节点资源有限，其路由协议设计的首要目标是提高能量有效性，延长网络寿命。本文研究了WSN的网络协议体系和路由协议的分类，提出了基于能量异构环境下的WSN分布式的信息收集机制，这是一种基于LEACH基础上的改进型的路由协议，继承了LEACH算法的簇域划分概念，同时又使簇首选择的方法更加合理，有效的延长了网络的生存时间。通过使用MATLAB软件对其进行仿真，分析仿真结果，更加突出这种分布式的信息收集机制优于LEACH协议。

1、算法的基本原理

在能量异构环境下，特定的范围，特定的节点数量的情况下，LEACH算法的簇首选择是随机选择一定数量的节点为簇头节点，而本文提出的算法的选择范围与LEACH算法不一样，本算法将在剩余能量比较大的节点中选择簇头节点。

该算法是在LEACH算法的基础上进行的改进，在能量异构的环境下，节点的能量有多有少，每次的簇首选择都要从剩余能量大的节点中选择，相对于LEACH算法，该算法将簇首选择的范围缩小了。

2、基于剩余能量的簇首选择机制和簇域划分

在能量异构的环境中，无线传感器网络每一轮的簇首选择都要消耗能量，其中被选择为本轮簇首的节点消耗更多的能量。该算法是在能量异构的环境下进行的簇首选择。每次的簇首选择都要进行网络的平均能量的计算。每一轮只有节点的能量大于网络中的平均能量值的节点才有机会成为簇首节点。使用这种算法可以很好的避免节点能量消耗过快的缺点，使剩余能量比较高的节点有更大的几率成为簇首节点，增强了网络的生存时间，使网络内的簇首选择和簇域划分更加合理。

3、网络生存时间比较

网络的部署，簇首的选择，簇域的划分进行完成之后，就需要计算网络的生存时间，无线传感器网络的优良性，主要就体现在网络的生存时间上，所以我们以网络生存时间为指标，比较本文所提出的改进算法的优越性。通过MATLAB软件进行对LEACH算法的仿真，得到的网络生存时间与网络中剩余生存节点的关系为图2。

从图中可以看出以LEACH算法为基础的路由协议在100×100的网络中部署100个节点的情况下，第一个节点的死亡时间大约在第25轮，网络在290轮左右节点全部死亡。

改进型算法是在LEACH算法的基础上，通过对簇首选择方法的改进，从而达到对节点剩余能量的合理分配，由MATLAB进行仿真得到的图形为图3。

从图中可以看出该网络的第一个节点死亡时间大约在第30轮，节点全部死亡在350轮左右。

从实验结果可以看出，经过改进的算法相对于LEACH算法是网络的节点寿命更长，从而有效的延长了网络的生存时间，说明算法的改进是有效的。

4、结语

根据对经典路由算法LEACH进行了分析研究针对传感节点能量和传输范围均有限等特点，提出了一种基于能量异构环境下的分布式WSN信息收集机制的LEACH改进型算法，算法引入了剩余能量比较的概念，使网络中节点的能量更加合理，在簇首选择阶段计算网络的平均能量，在簇首选择过程中加入了一个必须条件，即节点的能量必须大于网络中节点的平均能量，满足这个条件的节点才有机会成为簇头节点。这个条件的加入，使原来LEACH的簇首选择方法由单一的大于一个门限值得到了完善。避免了个别低能量节点被选为簇首节点而过快的死亡，影响网络的生存时间。在簇域划分的方面也进行了完善，使信息收集的能量分配更加合理。理论分析表明该算法具有较低的复杂度，实验结果也表明新算法较LEACH更节能，与其相比在路由性能方面有较大的提高，能较好的解决LEACH能量损耗快，节点生存时间短，网络生存时间不理想的问题。

参考文献

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