基于非均匀分簇和最小能耗的无线传感网络路由算法

摘要：
簇头以多跳方式传输数据到网关时,靠近网关的簇头由于负担较多的转发任务而过早死亡,从而造成了“能量空洞”现象.文中提出了一种基于非均匀分簇的能量有效的无线传感网络路由算法（UCRA）.它包括非均匀分簇算法和最小能耗路由算法2部分.首先提出一种加权的非均匀分簇算法（WUCA）,在分簇时考虑了节点的选票和传输距离.在簇间通信时提出了最小能耗多跳路由算法.它利用位置信息计算最优转发簇头位置,从而指导下一跳簇头的选择.仿真结果表明,UCRA算法能很好地平衡网络能耗,延长网络生命周期.
关键词：
无线传感器网络; 非均匀分簇; 路由算法; 能量效率
中图分类号： TP 212.1
文献标志码： A     

基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法

针对非均匀分簇路由算法中频繁簇头选举带来的簇内和簇间能耗、网络部署密集易造成数据冗余等问题,提出一种基于正六边形网格划分的改进非均匀分簇算法(HGUC)。首先,将网络正六边形网格划分,遍历选举每个网格能量最大的节点作为备选簇头;其次,考虑最优簇头数、剩余能量和节点密度确定最终簇头和修改竞争半径,从而减少能耗,降低数据冗余。仿真结果表明,HGUC算法与LEACH算法、非均匀成簇EEUC算法对比,网络生存寿命分别延长了58.84%、51.68%.     

基于能量迭代模型和蜂群优化的异构无线传感器网络节能分簇路由算法

针对无线传感器网络节能分簇路由通信时存在数据传输节点死亡数量较多、传输能耗输出较大的问题,提出一种基于能量迭代模型和蜂群优化的异构无线传感器网络节能分簇路由算法.首先构建网络通信能耗模型,以缩减能耗为目标结合差分蜂群算法及时优化网络节点分布;然后基于网络节点分布优化结果,制定异构无线传感器网络节能分簇方法,使用能量迭代选簇方法确定簇头,获取簇头半径完成异构无线传感器网络的通信节点节能分簇;最后设定通信簇头节点与基站之间的距离,确定节点通信时的路由等级,并结合多跳的路由通信方式,实现异构无线传感器网络的节能路由通信.实验结果表明,利用该方法进行网络节能分簇路由通信时,数据传输节点死亡数量最多为22个,节点传输最大能耗为21 nJ/bit,表明该方法节点通信节能效果较好.     

分层的无线传感器网络非均匀分簇路由算法

为解决无线传感器网络分簇路由算法因簇间长距离通信而带来的高能耗以及路由寻址复杂的问题,提出了一种基于分层的非均匀分簇路由算法。该算法对非均匀分簇算法进行了改进,在竞争半径的计算上同时考虑了节点的位置和剩余能量,以使簇头的负载更加均衡。采用层间多跳通信方式进行数据传输,不仅避免了节点的长距离通信问题,而且简化了数据转发过程。仿真实验表明：与低功耗自适应分簇路由算法和非均匀分簇算法相比,该算法能够有效地节约簇头的能耗,减少网络的系统能量开销,延长网络的工作周期。     

基于虚拟MIMO的无线传感网数据传输策略

基于无线传感网的虚拟多输入多输出(multi-input multi-output,MIMO)技术,结合分簇多跳传输模式进行全网的数据传输,根据分簇算法得到每一个簇的簇头,利用协作传输方式,将数据传输至相邻簇头.在进行数据传输时,综合考虑网络的电路能耗与传输能耗,推导出簇间传输的最小能耗为发送方簇的协作节点个数Mt的表达式,从而得到到达汇聚节点的最优路径.基于最小簇间能耗的协作虚拟MIMO多跳传输策略不需要接收端协同,避免了接收端协同的复杂性,同时从整个网络生存周期角度出发,节省更多的网络能耗.仿真结果表明,该策略在轮次增加或者簇间距离变化的情况下,都能得到较好的节能效果,从而延长网络的生存周期.     

煤矿物联网灾后重构自适应非均匀分簇算法

为解决灾后物联网节点剩余能量较低且异构的问题,提出一种能耗均衡的煤矿物联网灾后重构自适应非均匀分簇算法.在簇头选举阶段引入候选簇头选举机制,根据残存节点的剩余能量、相对距离和分布密度设计簇头选举阈值函数,并利用层次分析法计算出三者的权重系数.候选簇头根据当前剩余能量和地理位置计算自身竞争半径,并与邻居候选簇头竞选正式簇头.在簇间多跳路由阶段,综合考虑中继簇头当前的剩余能量、簇内成员节点数及簇间通信能耗,构造中继簇头权值函数,权值最大的中继簇头当选为下一跳路由节点.仿真结果表明:该算法能有效降低重构网络簇头节点平均能耗,提升重构网络的数据传输量,延长重构网络的生存时间.     

无线传感器网络LEACH算法的改进研究

针对LEACH算法节点生命周期短和能耗不均衡的问题,提出了一种改进的LEACH算法。算法在簇头节点选择时综合考虑节点剩余能量和当前位置问题,使簇头的分布更均匀;同时在估算最优簇头数的基础上,改进了分簇方法,减少了分簇次数,节省了网络能量消耗。仿真实验表明,改进的LEACH算法使整个网络能耗更加均衡,延长了无线传感器网络的生命周期。     

基于最优簇头数的环形无线传感器网络分簇算法

基于无线传感器网络中每个环能量消耗最小原则, 提出一种基于最优簇头数的环形无线传感器网络分簇算法. 首先计算出网络中每个环的最优簇头数, 然后在最优簇头数的基础上, 将网络划分为若干不同大小的簇, 最后在选择簇头时, 考虑了每个环的最优簇头数与相应环中节点数目的比值、 节点的剩余能量以及簇成员节点到簇头节点的最短距离与簇头节点到基站距离的关系. 解决了无线传感器网络簇内节点通信能量消耗过多的问题, 均衡了网络节点的能耗. 仿真结果表明, 该算法提高了网络能效和扩展性, 平衡了网络能耗, 延长了网络的生命周期.     

基于最优簇头数的环形无线传感器网络分簇算法

基于无线传感器网络中每个环能量消耗最小原则, 提出一种基于最优簇头数的环形无线传感器网络分簇算法. 首先计算出网络中每个环的最优簇头数, 然后在最优簇头数的基础上, 将网络划分为若干不同大小的簇, 最后在选择簇头时, 考虑了每个环的最优簇头数与相应环中节点数目的比值、 节点的剩余能量以及簇成员节点到簇头节点的最短距离与簇头节点到基站距离的关系. 解决了无线传感器网络簇内节点通信能量消耗过多的问题, 均衡了网络节点的能耗. 仿真结果表明, 该算法提高了网络能效和扩展性, 平衡了网络能耗, 延长了网络的生命周期.     

WSN中融合多跳路由和休眠机制的改进型LEACH-C协议

无线传感器网络(WSN)中的LEACH-C路由协议性能严重依赖于基站位置,为此提出一种融合了多跳路由和智能休眠机制的改进型LEACH-C协议(LEACH-CMS).首先,利用LEACH-C协议选择簇头,并构建分簇结构;然后,通过蚁群算法(ACO)在考虑路由距离和簇头能量下,寻找簇头到基站的最优多跳路径,并传输数据到基站;最后,基站根据传输数据的质量,利用休眠机制使不重要地区的节点休眠,以此节约能耗.实验结果表明,LEACH-CMS比LEACH-C协议提高约35%的网络寿命和20%的延迟性能.     

路由算法在均衡物联网传感器节点能耗分析中的应用研究

传统路由算法只采用指定节点或路径实现数据转发,设定阈值的减少使簇头数量降低,能耗急剧升高,导致能量的非均衡消耗。为此,将一种新的路由算法应用于均衡物联网传感器节点能耗分析中。对传感器节点能耗进行研究,求出节点剩余能量。通过阈值得到本块候选簇头集合,把剩余能量较其他节点多,或者和本块中心之间距离较短的节点看作簇头节点。建立路由选择计算公式,按照前向路由节点剩余能量获取数据发送过程中簇间多跳路由。面向能耗均衡对路由进行更新,把传感器节点剩余能量划分成10个能量等级,按照网格能量等级确定等待时间,完成对簇首节点的更新处理,以保证节点能耗均衡性。实验结果表明,所提路由算法簇首节点选择合理,将其应用于均衡物联网传感器节点能耗的分析中,节点能耗较其他算法更加均衡性。     

路由算法在均衡物联网传感器节点能耗分析中的应用

传统路由算法只采用指定节点或路径实现数据转发,设定阈值的减少使簇头数量降低,能耗急剧升高,导致能量的非均衡消耗。为此,将一种新的路由算法应用于均衡物联网传感器节点能耗分析中。对传感器节点能耗进行研究,求出节点剩余能量。通过阈值得到本块候选簇头集合,把剩余能量较其他节点多,或者和本块中心之间距离较短的节点看作簇头节点。建立路由选择计算公式,按照前向路由节点剩余能量获取数据发送过程中簇间多跳路由。面向能耗均衡对路由进行更新,把传感器节点剩余能量划分成10个能量等级,按照网格能量等级确定等待时间,完成对簇首节点的更新处理,以保证节点能耗均衡性。实验结果表明,所提路由算法簇首节点选择合理,将其应用于均衡物联网传感器节点能耗的分析中,节点能耗较其他算法更加均衡性。     

基于距离和分布的无线传感器网络分簇算法

考虑随机分布节点的剩余能量以及节点相对基站的位置,针对基站位置的非均匀无线传感器网络,提出了一种基于节点位置和分布密度的多跳自组织分簇算法．该算法在分簇准备阶段,根据节点分布密度和相对基站的距离确定分簇的半径,均衡分簇能耗;在簇头选举阶段,利用节点的剩余能量和节点连接密度信息,选择最优的节点成为簇头;在分簇建立阶段,限制分簇跳数,有效降低簇内通信量．通过一系列的仿真实验,验证了算法在节点均匀和非均匀分布情况下均能取得较好的性能,建立更为均衡的分簇结构,显著提高网络生存周期．     

基于模糊控制的环形WSN 多跳分簇路由算法

为解决环形无线传感器网络能量空洞和能量最小问题，提出一种基于模糊控制的分簇路由算法FCＲA ( Fuzzy logic control based Clustering Ｒouting Algorithm) 。首先将网络分为宽度相等的环，以每环能耗最小为目标 函数，计算出各环的最优簇数。然后设计簇头选举模糊控制器，其输入为节点剩余能量和到基站距离，输出为 节点成为簇头概率。最后，采用簇间多跳模式进行数据传输，基于节点剩余能量、下一跳距离以及到基站跳数 确定每条传输路径的权重函数，获得最优下一跳中继节点。仿真结果表明FCＲA 能有效减小网络能 耗、延长网络生命周期。     

无线传感器网络中基于HEED的多层分簇路由算法

基于HEED算法中簇首与基站通信能量消耗过大的问题,提出了一种新的成簇路由算法.在参考HEED路由算法的基础上,整合多层分簇的思想,通过在网络拓扑的底层构建多个簇头节点的簇集合、在拓扑的顶层构建多跳转发机制,提出基于HEED的多层分簇路由算法.实验表明,该算法在簇头节点分布和网络生存时间方面较已有的算法有较大的提高.     

传感器网络中一种基于簇的路由算法的研究

为了降低无线传感器网络中节点的能量消耗,提高网络生存期,提出了一种基于簇的路由算法.该算法首先采用K均值动态聚类算法将网络分簇,靠近Sink节点处具有更多的簇;其次利用数据汇聚路由算法寻找从簇头节点到Sink节点的路由;最后由当前簇头根据节点剩余能量及邻居节点的位置重新选择下一轮的簇头,并由新簇头形成簇间路由.仿真计算证明该算法是合理有效的,达到簇内节点能量均衡消耗的目的,同传统分簇算法相比,具有更长的网络生存期和更低的通信能耗.     

基于基因位迭代映射的无线传感器网络能量优化分簇算法

摘要：针对无线传感器网络的节点能量利用率和网络寿命问题,引入一种基因位迭代映射思维进行改进,并构造新的无线传感器网络能量优化分簇方案生成方法,在此基础上提出了基于基因位迭代映射的无线传感器网络能量优化分簇算法。该算法将无线传感器网络节点路由能耗优化问题转化为网络系统簇内节点最优能耗进化激励的解空间最优解搜索问题,然后利用基因位长度自适应编码和迭代映射的进化算法进行候选解搜索,最后输出具有最优能耗的节点通信路径和簇头的下级跳节点。实验结果表明,该算法高效可行,能量均衡和优化能力较好,有效的降低了节点的能耗,延长了网络生命周期。     

无线传感器网络中基于时间分量的混合路由协议

在均匀分簇的基础上,分析了多簇群情况下单跳和多跳模型能量的有效性,给出了两种情况下计算最优簇首数目的算法.考虑到单一的路由模式会引起网络能耗不均衡,提出并改进了多簇群情况下利用时间分量的单跳和多跳相结合的混合模型.仿真结果表明,基于时间分量的混合通信模式在能量有效性和能耗均衡分配方面均优于单跳、多跳模式.     

矿井无线传感器监测网络路由协议的研究

根据矿井无线传感器监测网络的特点,提出一种适合矿井安全监测的路由协议—基于虚拟栅格的簇头多跳路由协议CHM-VG(cluster heads multi-hops protocol based on virtual grid)。该协议根据矿井巷道长距离带状分布的特点,参考能量损耗模型构造虚拟栅格形成簇结构。依据簇内平均能量和其他节点传输距离两方面因素选取簇头节点,并采用簇间多跳方式实现数据传输。实验结果表明该协议平衡了整个网络的能量消耗,有效地利用了网络资源,延长了无线传感器网络的生命周期。     

一种WSN消冗降耗多跳路由发现算法

针对无线传感器网络(WSN)中多跳路由转发带来的数据冗余传输、簇头网络能耗较大及网络生存周期较短的问题,提出一种全局动态优化的消冗降耗多跳路由发现算法.通过优化路径权重参数,改进多跳路由选择策略.在簇头分配接收数据时隙问题上引入双射频分工方式,减小接收簇头节点信息及向其他节点转发信息带来的数据冗余传输,在减小整个网络耗...