一種無線傳感器網絡節能分簇算法

王 莘

（西安航空學院電氣學院，陜西西安,710077）

0 引言

一般來說，如果一個系統不存在任何的外部指令，系統在已設定的某種規則的控制下，控制、協調各個組成部分形成有序的機構，就是自組織。顯然，無線傳感器網絡（WSN)就是一種典型的自組織系統。

自組織算法與網絡的拓撲結構相關，分為基于平面結構和層次結構的兩種算法。而后者相對于前者，在網絡的管理、QOS支持、系統的擴展性、降低系統開銷等方面有著明顯的優勢。在現代的大型無線傳感器網絡的應用中，層次化的趨勢越加明顯。本文研究的的分簇自組織算法也是基于層次網絡結構。

1 分簇自組織算法

分簇算法是把網絡節點分成了簇首節點和成員節點兩類，再由成員節點就近加入簇首節點組成簇。兩類節點是通過分布式算法在網絡初期劃分的，并且在運營的過程中，周期性重構簇，每個周期稱之為“輪”。利用分簇算法的WSN因完成路由功能，而減少路由算法的開銷；壓縮、融合相關信息，是網絡的使用效率得以提高。這些都有效的減小了網絡的負荷，有利于延長網絡的生存期。

下面介紹本文涉及的分簇算法:

1)LEACH算法:這種算法每輪可以分為兩個過程:簇的建立和數據傳輸。網絡以周期循環的方式隨機的選擇網絡節點成為簇首節點，成員節點以就近的方式加入簇首形成簇。在數據傳輸時，成員節點把感知的內容傳輸給簇首壓縮、融合后，由簇首把結果傳輸給匯聚節點。如此循環，直到網絡的所有節點的死亡(能量耗盡)為止。

2)LEACH-C算法:是LEACH算法最為經典的改進算法，為了優化簇首在網絡中的分布，引入了中心控制機制，來提高網絡的性能。兩種算法的主要區別在簇首的建立過程，LEACH-C算法在建立簇的過程中，先由匯聚節點收集所有節點的位置信息和能量，在根據模擬退火算法，得到分簇方案。方案建立時，所選擇的簇首的依據是，整個網絡在運行的過程中所消耗的總能量最少。之后向所有成員節點傳送節點的ID信息，根據該信息決定成員節點的下一步工作狀態:加入簇首節點或進入休眠。

2 面向能耗控制的DEEC算法

經前文的介紹，可看出LEACH、LEACH-C雖然可有效的降低節點能耗，但其簇首節點因承擔了過于繁多的功能大大增加了其負擔，如果能將剩余能量與簇首的選舉之間建立一定的關系，就能有效的實現整個網絡節點的負載能耗的均衡，以延長網絡的生存期。本文提出一種基于LEACH算法的無線傳感器網絡分布式節能分簇算法DEEC，它從節點的分簇及分簇結構、平均能量估算兩個各方面對原有的算法加以改進。

2.1 DEEC的實現

本文是通過三個步驟來實現DEEC算法

2.1.1 平均能量估算

首先假設在M×M的范圍內隨機的分布著n個節點，若每輪成員節點發送的數據為kbits的消息，則該輪的能量消耗的總量如式3-1:

其中,Ee是每處理1bit信息接收和發送電路耗費的能量，Ed簇首消耗的能量，ε功放單位面積能耗，k′是簇首總數，dc是匯聚節點和簇首間的平均距離，ds是成員和簇首間的平均距離。

對式3-1,求Er關于k′的偏導數，令其為0，得到最優簇首個數如式3-2:

第p輪節點的平均能耗如式3-3:

其中E0為網絡初始能量，L為網絡生存的總輪數。

2.1.2 選擇簇首

在DEEC中簇首的選擇不是隨機的，而是節點中所剩余的能和平均能量兩者相關的，只有能量剩余多的節點成為簇首概率大與能量剩余少的節點，才能延長網絡的生存期。節點成為簇首的概率如式3-4:

其中Po是節點成為簇首的平均概率。

2.1.3 重新建立簇的結構

在LEACH算法中只有簇首和成員節點之分，而簇首節點承擔著控制簇的建立、壓縮和融合信息、傳輸信息等功能，這樣因為過重的負擔大大降低了網絡的生存期。所以在這里我新建立了一個簇結構，在其中添加了兩個新的功能節點:中心節點和發送節點。來對簇首的功能進行了一次分化。中心節點分擔了信息的壓縮和融合的功能，發送節點則負責之后向匯聚節點發送信息。中心節點和發送節點的選擇如圖1、圖2所示。

圖1 中心節點確定流程圖

圖2 發送節點確定流程圖

2.2 性能仿真及結果分析

通過Matlab模擬仿真對DEEC、LEACH、LEACH-C的節點性能進行對比，對DEEC的性能作出客觀正確的評價。設定DEEC仿真環境。設定仿真參數，仿真參數如表1所示。

圖3、圖4是我們通過仿真得到的三種算法的節點存活數和數據傳輸能力對比圖，我們可看出：

1)DEEC比LEACH、LEACH-C的存活率分別高出了28%和5%。

2)DEEC節點開始死亡輪次和全部死亡輪次值均大于LEACH、LEACH-C。

3)DEEC比LEACH、LEACH-C的傳輸能力分別高出了283%和39.3%。

圖3 存活節點數對比

綜上所述，使用DEEC能更有效的降低系統的能耗，網絡生存周期得到明顯的提升；數據傳輸能力強，具有更好的拓展性。可以更有效地解決無線傳感器網絡的能耗問題。

3 結束語

本文針對無線傳感器網絡的能耗問題，提出了一種基于LEACH算法的無線傳感器網絡分布式節能分簇算法DEEC。該算法為了減少簇首節點的負擔，添加了中心節點和發送節點，分擔了簇首節點的數據壓縮、融合以及數據發送功能，使整個網絡的能耗均衡。在簇首形成時，引入了參考量-平均能量，使其與節點剩余能量對比，使剩余能量和成為簇首概率相連接，進而使網絡的剩余能量得以均衡，延長網絡壽命。

圖4 數據傳輸能力對比

表1 LPPST仿真參數

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