一种基于功率控制的WSN分簇路由算法研究

作者:苏兵;唐明;宋戈;张钰婧 刊名:测控技术 上传者:魏洁

【摘要】针对无线传感器网络研究领域中能量均衡性难以控制的问题,在LEACH协议的基础上提出了一种功率控制的分簇路由算法(PCRA算法)。该算法基于最优连通功率,同时考虑节点的剩余能量、相对距离以及最优的邻居节集合对簇头的选择机制进行优化,从而实现网络稳定成簇和数据传输方式上的优化。通过结合距离、路径损耗和剩余能量等因数,使用权值来选择下一跳节点,实现了簇间通信,有效地避免了分簇协议应用被网络区域大小局限的问题。仿真数据显示,PCRA算法可使全网节点间的冲突区间变少,降低节点之间的竞争强度,进一步提高网络能量的有效性和吞吐量。

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近年来,无线传感器网络以诸多传统网络不具备的优点,吸引了国内外众多高校、科研院所的广泛关注;其涉及的学科多、学科之间交叉度高、知识高度集成,是当代前沿科技领域研究热点之一。维护网络的稳健性、均衡网络中能量消耗是设计一个优秀的路:a^0^,0.17^由协议要考虑的重要的问题。降低网络中通信单元模块所消耗的能量成为降低整个网络能耗的主要突破口之一[2]。文献[3]中提到功率控制算法会对网络数据发送中的这部分能量消耗产生决定性的影响。文献[4]中提出一种基于功率控制的解决方案COMPOW,此方案只适合于节点分布均勻的网络部署情况,因此也突出了其不适应于实际网络部署的缺点。文献[5]提出了基于节点度的功率控制算法,其缺点是基于节点度数的算法一般难以保证网络的连通性。文献[6]在基于节点度的功率控制算法的基础上提出了一种以最优连通功率作为基础的成簇算法,但其缺点是不具备路由功能。本文在功率控制、最优连通功率基础上结合LEACH协议分簇思想和分簇协议的簇间多跳提出了PCRA分簇路由算法。,A士1PCRA算法描述与分析1.1系统模型文献[7]中提出了一种服从Pareto分布的模型,其密度函数为F(k)=-(a/ky/{-{a/b)")x/m图1节点分布图L2*占肖耗模型‘“PCRA算法的能*:消耗以无线通信能耗模型为基^发送能量计算:每发送It匕特数据到d距离处节点所消耗的能量为:rlEkc+lefd2,d。(1)式中,分别为区域中理论节点数量的最小值与最大值A为区域真实的节点数量,参数a的区间为(o,2)。系统模型采用总区域面积大小为边长为1000m的正方形区域,并且按上述分布况=200的节点,区域内节点分布情况如图1所示。e長、I、山式中’?’和^自^随翻雜減翻巾放大器所消耗的能量乂为阈值。定义3:最优邻居节点。假设节点7为节点i的任意一个邻居节点,若节点y满足:LEN(T(i))1)为调整参数。定义2:最优连通功率。网络中的任意节点i,从i节点到其任意邻居节点的最优发射功率为P。pl(j)(1在一个基于连通功率的成簇算法中,单个簇结构是由簇头及其周围的最优邻居节点组成。因此,对于有斤个传感器节点的网络来说,最理想的簇头个数为:(11)nc=N/Nv从而得出,在模拟的网络中节点i成为簇头的概率为.P'竭(12)同时考虑节点的剩余能量和相对距离问题,在选取簇头节点时综合这些因素,得出节点成为簇头的概率,增加了剩余能量较大,相对距离较小的节点成为簇头节点的概率。尸=Elil)^Lcarmu1)1-P'(.mod^y)/(l)式中,r为目前网络循环进行的轮数为节点i当前的剩余能量为节点i的最大能量,即初始能量。簇头确定好后以各自的最优连通功率告知各自的簇内节点。1.4.2簇间通信的建立簇间通信采用单跳和多跳混合的路由方式,当节点i到sink的距离d(i’sink)^d0时,数据传输采用单跳方式,反;tjll細乡勸拭。在构建两点间是否建立通信时,利用权值来选择下一跳节点,充分考虑距离、路径损耗和剩余能量问题,均衡各节点能量。选择过程如下。簇首节点i首先以最大功率发送包含自身最大发送功率值以及ID信息的消息给周围邻居簇首。周围的邻居簇首节点y接收到簇首节点i的信息后得職收信息强度呌通过式(14)计算出路径损耗,同时J_将计算出的路径损耗、当前剩余能量以及自身的ID信息回复给簇首节点i。^(0=^(0-^(0(14)簇首节点i将接收到的信号存入自身的信息列表中,然后簇首节点根据权值式(15)选择下一跳节点。实验仿直采用Matlab仿真工具对PCRA算法进行仿真,仿2m

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