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基于延長(zhǎng)WSN生命周期的優(yōu)化算法研究

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第9期

趙秋月，張玲華

南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210023

摘要： LEACH協(xié)議作為一種經(jīng)典的低功耗自適應(yīng)層次路由協(xié)議，在要求連續(xù)監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)景被廣泛使用。雖然LEACH協(xié)議一定程度上均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，但由于缺乏節(jié)點(diǎn)能量、位置信息等參數(shù)的限制，導(dǎo)致其存在能量消耗不均勻、節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種全新的LEACH-PC協(xié)議，在將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上考慮了簇的大小，同時(shí)對(duì)簇頭選舉閾值函數(shù)的增益參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，LEACH-PC協(xié)議相對(duì)于LEACH協(xié)議降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí)延長(zhǎng)了WSN的網(wǎng)絡(luò)壽命。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) LEACH協(xié)議生命周期簇頭選舉

中圖分類(lèi)號(hào)： TN92；TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222547
中文引用格式： 趙秋月，張玲華. 基于延長(zhǎng)WSN生命周期的優(yōu)化算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(9)：92-96，102.
英文引用格式： Zhao Qiuyue, Zhang Linghua. Research on optimization algorithm based on extending the life cycle of WSN[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(9)：92-96，102.

Research on optimization algorithm based on extending the life cycle of WSN

Zhao Qiuyue, Zhang Linghua

School of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China

Abstract： As a classic low-power adaptive hierarchical routing protocol, LEACH protocol is widely used in application scenarios that require continuous monitoring. Although the LEACH protocol balances network energy consumption to a certain extent, it lacks the limitations of node energy and location information and other parameters, and there are problems such as uneven energy consumption and premature death of nodes. According to these problems, this paper proposes the LEACH-PC protocol, which considers the size of the cluster on the basis of dividing the network into regions, and at the same time adjusts various gain parameters of the cluster head election threshold function, thereby prolonging the network life of WSN. The simulation experiment shows that the LEACH-PC protocol reduces network energy consumption and has delayed network death time relative to the LEACH protocol.

Key words : wireless sensor network; LEACH protocol; life cycle; cluster head election

0 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是由一定區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)^[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)憑借自組網(wǎng)、自感知等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到軍事、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域^[2]。但由于節(jié)點(diǎn)能量有限,一旦能量耗盡將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常工作甚至失效。因此，能量決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，根據(jù)該特點(diǎn)達(dá)到降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容^[3]。

為了延長(zhǎng)WSN的生命周期，許多學(xué)者提出了網(wǎng)絡(luò)分簇的概念，即節(jié)點(diǎn)集合成群，可以有效減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。基于此概念，Heinzelman等人提出了經(jīng)典分簇路由協(xié)議——低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH）。該協(xié)議因其廣泛的適用性以及較好的節(jié)能效果而備受青睞^[4]。該協(xié)議通過(guò)簇頭采集簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給基站，避免了節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站從而消耗過(guò)多能量的問(wèn)題。但簇頭選舉的隨機(jī)性可能造成節(jié)點(diǎn)死亡速度加快，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期減少的情況。文獻(xiàn)[5]針對(duì)此情況提出了LEACH-C協(xié)議，該協(xié)議考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，優(yōu)化了簇頭的選舉，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)要向基站發(fā)送自己的剩余能量，頻繁信息交互會(huì)造成額外的能量損耗。文獻(xiàn)[6]提出了新算法O-LEACH協(xié)議，該協(xié)議在選取簇頭時(shí)僅考慮剩余能量大于初始能量10%的節(jié)點(diǎn)，但沒(méi)有考慮其他的影響因素。文獻(xiàn)[7]給出了RED-LEACH協(xié)議，該協(xié)議在選取簇頭時(shí)，不僅僅考慮剩余能量，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)到基站的遠(yuǎn)近，減少了能量損耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)周期。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)位置和節(jié)點(diǎn)剩余能量的簇首節(jié)點(diǎn)選取算法，稱(chēng)之為I-LEACH協(xié)議，該協(xié)議給出了簇頭選舉公式，每輪中距離區(qū)域中心越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)和剩余能量越低的節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的概率越低，減少了能量消耗并延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。但是該協(xié)議沒(méi)有考慮到簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)并且對(duì)簇頭選舉函數(shù)的修正存在一定問(wèn)題。

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作者信息：

趙秋月，張玲華

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210023)

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