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      基于WOA 的WSN 能量均衡分簇算法

      2023-07-21 11:12:38姚美琴夏漢初王英明
      計算機應用文摘·觸控 2023年14期
      關(guān)鍵詞:聚類

      姚美琴 夏漢初 王英明

      摘 要 文章提出一種基于鯨魚優(yōu)化算法(WOA)的能量均衡聚類算法(WOA-EDB)來設(shè)計簇頭(CH)選擇的目標函數(shù)WOA-EDB基于 WOA對收斂因子進行了改進以獲得非線性收斂因子 并利用WOA中的優(yōu)化適應度函數(shù)將具有最佳地理位置和能量的節(jié)點作為簇頭 實驗結(jié)果表明WOA-EDB算法能有效地延長網(wǎng)絡生命周期和獲得更均衡的CH 分布空間

      關(guān)鍵詞WOA 聚類 簇頭空間分布

      中圖法分類號 文獻標識碼A

      1 引言

      WSN 是由多個節(jié)點聚集在一起并將其收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交荆ǎ拢樱┧纬傻慕Y(jié)構(gòu)[1] 。由于在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中,大部分傳感器節(jié)點的能量被消耗,因此如何最小化網(wǎng)絡能耗是WSN 中最重要的問題[2] 。研究學者已提出許多基于CH 選擇的算法。

      LEACH[3] 是較早提出的分簇算法,節(jié)約了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的能耗。但由于LEACH 選擇隨機性強,因此將較低剩余能量節(jié)點作為CH。為克服LEACH 中CH選擇的隨機性,文獻[4]提出LEACH?C 是根據(jù)節(jié)點的剩余能量和位置信息來選擇CH。文獻[5]是將WSN區(qū)域劃分為虛擬方形網(wǎng)格,在每個節(jié)點更新其地理和鄰居節(jié)點信息后,通過地域自適應保真算法將網(wǎng)絡劃分為簇。文獻[6]基于粒子群算法來確定候選CH 節(jié)點所在的區(qū)域。文獻[7]基于2 種策略———分離和對齊,這2 種策略都由螞蟻的信息素水平來管理,并基于它們來選擇CH。

      2 能量模型

      本文提出的WOA?EDB 算法是將傳感器節(jié)點設(shè)置在半徑為R 的圓形監(jiān)測區(qū)域中,其能量模型如下。2 個距離為d 的相鄰節(jié)點之間傳輸l 位數(shù)據(jù)的能量消耗計算如下:

      4.2 簇間距離標準差

      圖2 顯示了簇間距離的標準偏差。這意味著首先計算簇中每個成員節(jié)點到CH 的距離之和,然后計算這些距離之和的標準差。

      簇間距離標準差越小,每個簇的距離就越均衡,簇內(nèi)的能耗就越均衡。從圖2 可以看出,LEACH 性能是最差的,因為隨機選擇的CH 分布不均勻,導致每個簇的大小存在很大差距。當設(shè)計改進的WOA 的適應度函數(shù)時,WOA?EDB 算法考慮簇距離的標準差(f1)來控制每個簇的平衡。因此,WOA?EDB 在這方面的性能優(yōu)于LEACH 和ORWG。

      4.3 網(wǎng)絡中存活節(jié)點的數(shù)量

      圖3 顯示了隨著網(wǎng)絡中循環(huán)次數(shù)的增加,存活節(jié)點數(shù)量的變化。

      圖3 中網(wǎng)絡存活的節(jié)點數(shù)量在很長一段時間內(nèi)都沒有減少,但它們在后期很快就會死亡。LEACH消耗最快,其次是ORWG,最后是WOA?EDB。WOA?EDB 應用在環(huán)形網(wǎng)絡中將改進WOA 選擇最佳地理位置和能量的節(jié)點作為CH,成員節(jié)點根據(jù)距離選擇自己的簇。因此,WOA?EDB 消耗最慢的節(jié)點,并且具有最長的生命周期。

      5 結(jié)束語

      本文的主要目的是平衡網(wǎng)絡能耗、優(yōu)化CH 的空間分布、降低簇之間的能耗?;谏鲜瞿康?,本文提出了一種基于WOA 的能量和距離平衡聚類算法(WOA?EDB),WOA?EDB 首先計算最小能耗,改進WOA 的收斂因子和適應度函數(shù)以選擇最佳CH。仿真實驗表明,WOA?EDB 在延長網(wǎng)絡壽命、選擇簇內(nèi)CH 能效以及簇間能耗平衡方面具有更明顯優(yōu)勢。

      參考文獻:

      [1] BOUKEZZATA A,BOUANIK S,MANSERI A, et al.AmorphousSilicon Carbide Nanowires for Optical Sensor Device[J].ActaPhysica Polonica A,2020,137(4):447?450.

      [2] JIN W, YU G, XIANG Y, et al. An Enhanced PEGASISAlgorithm with Mobile Sink Support for Wireless SensorNetworks [ J ]. Wireless Communications and MobileComputing,2018,2018:1?9.

      [3] HEINZELMAN W R,CHANDRAKASAN A,BALAKRISHNANH. Energy?Efficient Communication Protocol for WirelessMicrosensor Networks[J].In Proceedings of the 33rd HawaiiInternational Conference on System Sciences,(HICSS 2000),2002:55?60.

      [4] LATIF K,JAVAID N,SAQIB N M,et al.Energy consumptionmodel for density controlled divide?and?rule scheme for energyefficient routing in wireless sensor networks[J]. Int. J. of AdHoc and Ubiquitous Computing,2016,21(2):130?139.

      [5] QUOC N D,BI L,WU Y,et al.Energy efficiency clusteringbased on Gaussian network for wireless sensor network[J].IET Communications,2019,13(6):741?747.

      [6] RUAN D,HUANG J.A PSO?Based Uneven Dynamic ClusteringMulti?Hop Routing Protocol for Wireless Sensor Networks[J].Sensors (Basel,Switzerland),2019,19(8):1835.

      [7] SELVAKENNEDY S,SINNAPPAN S,SHANG Y.A biologically?inspired clustering protocol for wireless sensor networks [J].Computer Communications,2007,30(14):2786?2801.

      作者簡介:

      姚美琴(1995—),碩士,助教,研究方向:無線傳感網(wǎng)、移動互聯(lián)。

      夏漢初(1964—),碩士,副教授,研究方向:嵌入式系統(tǒng)。

      王英明(1983—),碩士,副教授,研究方向:數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)。

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