浅析基于簇的无线传感器网络能量平衡策略.doc

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1、浅析基于簇的无线传感器网络能量平衡策略(作者刘娅谭钱茂杨艳发表时间2014年"月)论文关键词:无线传感器网络;能量平衡;网络寿命;驱逐;簇论文摘要:分簇被认为是延长无线传感器网络寿命的最有效的方法之一。本文首先说明根据节点数目以及分布区域特征，确定合理的成簇数目是分簇算法设计的核心;算法EBCO(EnergyBalanceClusterOptimize)按照无线传感器网络运行过程中相郁簇簇头能量消耗速度信息来调整簇的大小，并且从能耗大的簇“驱逐”一些节点到能耗低的簇，从而平衡簇头之间的能量消耗。仿真结果表明，采用该能量平衡的传输策略时，能有效地平衡簇头间的能量消耗，较好

2、地解决“热区”问题，延长网络生存时间。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是由具有计算、存储和无线通信能力的小型智能设备组成的分布式感知网络。传感器节点负责收集监测区域内的声音、电磁或地震信号等多种信息，通过无线信道将它们发送到Sink节点（或称汇聚点、基站basestation）oSink节点具有更强的处理能力，能够进一步处理信息，或拥有更大的发送范围，可以将信息送往某个大型网络，使远程用户能够检索到该信息。通常传感器节点体积都非常小，只有有限的计算能力、有限的存储能力、有限的无线通信能力和有限的电源供应（电池供电），而且在部署后难以二

3、次补充能量，因此无线传感器网络存在严重的能量约束问题，如何提高能量效率成为传感器网络研究的重大问题。在无线传感器网络中分簇被认为是延长网络寿命的最有效的方法之一。将传感器节点划分为一个个簇，传感器节点的角色分为簇头和簇成员两种，簇成员监测到的数据首先传到簇头，簇头可以对采样数据进行融合，然后再转发到Sink节点，以减少网络流量，由于各个簇头与Sink节点的距离不同，离Sink节点距离较远的簇头采取多跳的方式进行通信。然而这种做法带来了一个能量消耗不均衡的“热区”问题，即在传感器网络的多对一通信模式中，靠近Sink节点的网络节点需要大量转发其它簇的数据，节点能量过快消耗至

4、死亡，造成网络分割，降低网络生存时间。针对传感器网络簇头能量消耗平衡问题，目前已经提出了多种分簇策略和划分子簇的方法来减少能耗，这些研究主要集中于均衡簇成员节点之间的能量消耗，没有考虑到簇头间的能量消耗均衡问题。然而簇头节点的轮换机制也可以均衡簇内节点的能量消耗。LEACH协议就是利用随机轮换簇头均匀分布能量负担。仿真表明，LEACH协议的能量消耗比传统的路由协议减少了8倍。然而，为了达到更好的能量消耗平衡，簇头选择算法必须频繁地执行，而这又额外地增加了处理和通信的开销。为了减少这个额外开销，提出能量平衡的传输策略。仁网络模型与问题描述1.1网络模型考虑一种异构的传感器

5、网络，网络中有三种节点组成:簇头(clusterhead,简称CH)、簇成员节点和汇聚(Sink)节点，CH节点和普通节点的配置相同，其发射功率以及节点的能量均有限，本文中认为Sink节点发射功率和能量是无限的。该网络由N个随机部署的传感器节点形成，节点集合为，，其应用场景为周期性的数据收集。本文假设:(1)该网络中的簇头节点和簇成员节点分布在边长为A*A的正方形区域内，分布密度服从参数为的泊松分布；(2)所有节点都是同构的，具备数据融合的功能，每个节点都有一个唯一的标识(ID);(3)根据接收者的距离远近，节点可以自由调整其发射功率以节约能量消耗，节点的发射功率有限，

6、最大通信半径为r;(1)链路是对称的。若已知对方发射功率，节点可以根据接收信号的强度计算出发送者到自己的近似距离；(2)理想的成簇概率为P,其中自愿簇头的概率为P1,强迫簇头的概率为P2o4.2能量消耗模型(作者刘娅谭钱茂杨艳发表时间2014年"月)成簇是分簇算法的关键问题，而如何在给定的网络条件下，达到合适的成簇数目并且满足能量有效性的要求成为设计成簇的核心思想。成簇的数目不能太多也不能太少，如果太多将会引人大量的成簇开销，节点的能耗将增大，而且可允许复用的网络资源有限;如果数目太少，每个簇内的成员节点数增多，簇头将承担过重的收发负担，能量消耗增加而导致过早死亡，因此

7、合适的成簇数目不仅可以均衡节点的能耗，延长工作寿命，而且可以有效地提高链路的利用率。确定合理的簇头数目是建立在充分考虑能量消耗有效性的基础之上，因此首先定义节点在通信过程中能量消耗模型。本文使用无线通信消耗模型进行计算，该模型由发送电路、功率放大器和接收电路构成，当发送端传输k比特数据到距离为d的接收端时，发送所消耗的能量为:节点接收k比特数据的能量消耗为:其中，为距离的临界值，当收发之间的距离小于该临界值，则使用自由空间模型;如果大于该值，则使用双路径模型。各个参数的具体含义和取值如表1所示。本文假设邻近节点采集的数据具有较高的冗余度，