WSN中能耗均衡的非均匀分簇路由算法研究

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随着传感技术的进步和革新,无线传感器网络(WSN)在军事、农业生产、工业制造、城市交通等领域得到广泛应用。它能够及时获取环境信息的变化,因而在环境监测中发挥着重要的作用。传感节点电池供电的方式导致其能量十分有限,因此,均衡节点能耗已成为路由协议研究的重点。针对网络中节点能耗不均衡且生命周期短的问题,从成簇规模、簇首工作量、簇内和簇间通信能耗等多方面提升节点能耗的均衡性,在非均匀分簇的基础上,提出两种能耗均衡的路由算法,算法具体内容如下:(1)为了缓解单簇首工作负载以及平衡簇内和簇间节点的能量消耗,提出改进K均值的能耗均衡非均匀分簇路由算法(ENRK)。通过改进K均值算法和引入成簇竞争半径实现非均匀分簇。在簇内采用双簇首机制,主簇首负责数据的接收、融合,副簇首承担数据的发送、转发任务。簇首竞选使用动态权值加权距离和能量因子以提升簇首选择的合理性。依据熵权值法客观地确定影响中继节点选择影响因子的权重并且构造中继节点评估函数确定多跳传输转发节点。实验结果表明,该算法能有效平衡节点的能量消耗和提升网络性能。(2)为了更好地平衡节点的通信负载,实现定量的分析节点间能耗均衡性,提出基于自组织神经网的能耗均衡非均匀分簇路由算法(ENRS)。通过划分区域和分配成簇数量,以自组织神经网完成非均匀分簇。在簇内引入基尼系数并构建能耗均衡函数,各簇群以最大能耗均衡值竞选簇首。簇间通过A star算法进行路径规划寻找候选中继节点,再综合剩余能量、传输距离、簇群节点数和转发次数等因子确定最终中继节点。仿真表明,所提算法节点的能耗均衡性进一步提升。通过Matlab仿真可知,相比LEACH协议以及NHRP协议,ENRK算法的生命周期分别是LEACH和NHRP协议的4.96倍和1.28倍,ENRS算法分别为5.63倍和1.45倍,这表明两种算法在不同程度上实现了能耗均衡。
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