文章目录

  • 一、簇的形成
  • 二、仿真分析
  • MATLAB程序实现DEBUC分簇
  • 三、参考文献

能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议_无线传感器

能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议_无线传感器_02

能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议_无线传感器_03

能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议_无线传感器_04

能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议_无线传感器_05

图2 传感器节点非均匀分簇例子

MATLAB程序实现DEBUC分簇

网络环境与参数见表2。

能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议_无线传感器_06

表2 网络环境与参数

本次实验仿真10轮,其中4轮的分簇结果如图3~6所示。代码如下:

close all;
clear;
clc;
% Network coverage (0,0)~(400,400)m
xm = 400;
ym = 400;
% Base station location (200,450)m
BS.x = 200;
BS.y = 450;
% Node number 1600
NodeNums = 1600;
% Initial energy 0.3J
Eo = 0.3;
% Data packet size 4000bits
packetLength = 4000;
% Data packet header 100bits
ctrPacketLength = 100;
% Energy dissipation parameter
% Eelec=50nJ/bit
% Efs=10pJ/bit/m^2,Emp=0.0013pJ/bit/m^4
% ED=5nJ/bit,dcrossover=87m
Eelec = 50*10^(-9);
Efs=10*10^(-12);
Emp=0.0013*10^(-12);
ED=5*10^(-9);
dcrossover = 87;
% 参数
T = 0.2; % 簇头比例
Rcomp = 90; % 预先定义的最大竞争半径
c = 0.5; % 0~1的常数
alpha = 0.3;
beta = 0.3;
gamma = 0.4;
delta = 0.4; % alpha+beta+gamma = 1
do = 246; % 簇头至基站距离临界值
% 节点距基站的最大和最小距离
dmax = 0;
dmin = 9999;
% 最大轮数
rmax = 10;
% 簇头选择所需时间(s)
TCH = 60;

%% 节点随机分布
figure(1);
for i = 1:NodeNums
Node(i).x = rand(1,1)*xm;
Node(i).y = rand(1,1)*ym;
Node(i).beVolunteerNode = false; % 候选簇头标志
Node(i).RE = Eo; % 节点剩余能量
Node(i).flag_final_send = false; % 最终簇头发送消息标志
Node(i).flag_final_receive = false; % 接收最终簇头的消息标志
Node(i).flag_t = false; % 等待时间的标志
Node(i).flag_send_BS = false;
Node(i).flag_send_CH = false;
Node(i).CH = 0; % 0 非簇头 -1 自己是最终簇头
Node(i).ENT = 0; % 邻居节点的平均剩余能量
Node(i).List_v_CH = zeros(1, NodeNums); % 候选簇头邻居节点信息表
Node(i).List_v_CH_num = 0; % 候选簇头邻居节点个数
Node(i).List_n_CH = zeros(1,NodeNums); % 邻居簇头信息表
Node(i).List_n_CH_num = 0; % 邻居簇头个数
Node(i).member_num = 0; % 簇头i的邻居簇头成员节点数
Node(i).link = i; % 中继节点
% 计算节点和基站的最大和最小距离
dcurrent = sqrt((Node(i).x-BS.x)^2+(Node(i).y-BS.y)^2);
if dmax < dcurrent
dmax = dcurrent;
end
if dmin > dcurrent
dmin = dcurrent;
end
hold on;
plot(Node(i).x, Node(i).y, 'o', BS.x, BS.y,'*r');
title 'Wireless Sensor Network';
xlabel 'X-coordinates';
ylabel 'Y-coordinates';
end

%% 计算节点的竞争半径
for i = 1:NodeNums
dcurrent = sqrt((Node(i).x-BS.x)^2+(Node(i).y-BS.y)^2);
Node(i).Rcomp = (1-c*(dmax-dcurrent)/(dmax-dmin))*Rcomp;
end

per_round_CH_num = zeros(1, rmax);
%% 簇头选择
for r = 1:rmax
alive = 0;
for i = 1:NodeNums
if Node(i).RE > 0
alive = alive + 1;
end
end
ALIVE(r) = alive;
%% 初始化节点参数
for i = 1:NodeNums
Node(i).beVolunteerNode = false; % 候选簇头标志
Node(i).flag_final_send = false; % 最终簇头发送消息标志
Node(i).flag_final_receive = false; % 接收邻居节点是最终簇头发来的消息标志
Node(i).flag_t = false; % 等待时间的标志
Node(i).flag_send_BS = false;
Node(i).flag_send_CH = false;
Node(i).cost = zeros(1, NodeNums); % 节点的代价值
Node(i).CH = 0; % 0 非簇头 -1 自己是最终簇头
Node(i).ENT = 0; % 邻居节点的平均剩余能量
Node(i).List_v_CH = zeros(1, NodeNums); % 候选簇头邻居节点信息表
Node(i).List_v_CH_num = 0; % 候选簇头邻居节点个数
Node(i).List_n_CH = zeros(1,NodeNums); % 邻居簇头信息表
Node(i).List_n_CH_num = 0; % 邻居簇头个数
Node(i).member_num = 0; % 簇头i的邻居簇头成员节点数
Node(i).link = i; % 中继节点
end
%% 候选簇头的选取
for i = 1:NodeNums
u = rand;
if u < T % && Node(i).RE > 0 && Node(i).CH == 0
Node(i).beVolunteerNode = true; % 被选为候选簇头
end
% 是候选簇头
if Node(i).beVolunteerNode == true
% 广播自己竞选簇头的消息
if Rcomp < dcrossover
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Efs*ctrPacketLength*Rcomp^2);
else
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Emp*ctrPacketLength*Rcomp^4);
end
if Node(i).RE <= 0
Node(i).RE = 0;
Node(i).beVolunteerNode = false;
end
end
end
%% 计算每轮候选簇头邻居节点集
for i = 1:NodeNums
count = 0;
if Node(i).beVolunteerNode == true
% 通过竞争半径来计算节点的邻居节点集
for j = 1:NodeNums
dist = sqrt((Node(i).x-Node(j).x)^2+(Node(i).y-Node(j).y)^2);
% 如果候选簇头i接收到了来自候选簇头j发来的竞选簇头的消息
% 也就是说,节点j是候选簇头,且节点i处于节点j的广播范围内
if j ~= i && Node(j).beVolunteerNode == true && dist <= Rcomp
% i接收到了j发来的竞争簇头消息
Node(i).RE = Node(i).RE - Eelec*ctrPacketLength;
if Node(i).RE <= 0
Node(i).RE = 0;
Node(i).beVolunteerNode = false;
else
if dist < max(Node(i).Rcomp, Node(j).Rcomp)
% 把节点j加入到候选簇头节点i的邻居节点信息表中
count = count + 1;
Node(i).List_v_CH(count) = j;
end
end
end
if j == NodeNums
Node(i).List_v_CH_num = count;
end
end
end
% 计算候选簇头的等待时间
if Node(i).beVolunteerNode == true
% 计算邻居节点的平均剩余能量
aver_energy = 0;
for j = 1:Node(i).List_v_CH_num
aver_energy = aver_energy + Node(Node(i).List_v_CH(j)).RE;
end
if Node(i).List_v_CH_num == 0
Node(i).ENT = 0;
else
Node(i).ENT = aver_energy/Node(i).List_v_CH_num;
end
% 计时
if Node(i).RE >= Node(i).ENT
k = 0.1*(rand + 9); % k是(0.9,1)之间的随机数
Node(i).t = k*TCH*Node(i).ENT/Node(i).RE; % 计算节点i的等待时间
else
% 节点i放弃竞争簇头
Node(i).beVolunteerNode = false;
end
end
end
%% 计时广播竞争簇头
for t = 1:TCH
% 等待时间-1
for i = 1:NodeNums
if Node(i).beVolunteerNode == true
if Node(i).t > 0
Node(i).t = Node(i).t - 1;
end
end
end
% 处理
for i = 1:NodeNums
if Node(i).beVolunteerNode == true
% 未到达等待时间
if Node(i).t > 0
% 收到了来自邻居节点发来的最终簇头消息
if Node(i).flag_final_receive == true
Node(i).beVolunteerNode = false; % 放弃竞争簇头
Node(i).t = 9999; % 停止计时
end
else
% 到达等待时间,选为最终簇头
if Node(i).t <= 0 && Node(i).flag_t == false % && Node(i).flag_final_receive == false
Node(i).CH = -1; % 选为最终簇头
per_round_CH_num(r) = per_round_CH_num(r)+1;
% 广播最终消息
if Rcomp < dcrossover
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Efs*ctrPacketLength*Rcomp^2);
else
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Emp*ctrPacketLength*Rcomp^4);
end
if Node(i).RE <= 0
Node(i).RE = 0;
Node(i).beVolunteerNode = false;
else
Node(i).flag_t = true;
Node(i).flag_final_send = true;
for j = 1:NodeNums
dist = sqrt((Node(i).x-Node(j).x)^2+(Node(i).y-Node(j).y)^2);
if j ~= i && dist <= Rcomp && Node(j).CH == 0
% j收到了来自i发来的最终簇头消息
Node(j).RE = Node(j).RE - Eelec*ctrPacketLength;
if Node(j).RE <= 0
Node(j).RE = 0;
Node(j).beVolunteerNode = false;
else % 判断i是否为j的邻居节点
for k = 1:Node(j).List_v_CH_num
% 如果i是j的邻居节点
if i == Node(j).List_v_CH(k)
Node(j).flag_final_receive = true; % j收到了来自邻居节点i的最终簇头消息
break;
end
end
end
end
end
end
end
end
end
end
end
%% 计算簇头个数
CH_count = 0;
for i = 1:NodeNums
if Node(i).CH == -1
CH_count = CH_count + 1;
CH(CH_count) = i;
final_CH(r, CH_count) = i;
end
end
%% 普通节点选择簇头
for i = 1:NodeNums
count = 0;
if Node(i).RE > 0
if Node(i).CH == -1
% 簇头向普通节点广播消息
distanceBroad = sqrt(xm*xm+ym*ym);
if distanceBroad < dcrossover
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Efs*ctrPacketLength*distanceBroad^2);
else
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Emp*ctrPacketLength*distanceBroad^4);
end
end
if Node(i).CH == 0
% 普通节点接收所有簇头发来的消息
Node(i).RE = Node(i).RE - CH_count*Eelec*ctrPacketLength;
% 普通节点根据接收消息的强度加入最近的簇头
% 仿真时直接计算和簇头的欧氏距离,加入距离最小的簇头即可
for j = 1:NodeNums
if j ~= i && Node(j).CH == -1
% 计算节点i与簇头j之间的距离
count = count + 1;
dist(count) = sqrt((Node(i).x-Node(j).x)^2+(Node(i).y-Node(j).y)^2);
my_CH(count) = j;
end
end
d = 9999;
for k = 1:count
% 寻找距离普通节点最近的簇头,并加入它
if d > dist(k)
d = dist(k);
Node(i).CH = my_CH(k);
end
end
if Node(i).CH ~= 0
% 加入这个簇,发送加入簇头消息
if d < dcrossover
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Efs*ctrPacketLength*d^2);
else
Node(i).RE = Node(i).RE - (Eelec*ctrPacketLength+Emp*ctrPacketLength*d^4);
end
% 对应簇头接收消息
Node(Node(i).CH).RE = Node(Node(i).CH).RE - Eelec*ctrPacketLength;
end
end
end
end
%% 分簇图
figure;
for i = 1:NodeNums
if Node(i).RE <= 0
plot(Node(i).x, Node(i).y , 'k.', 'markersize', 20);
hold on;
else
if Node(i).CH == -1 % 簇头节点
plot(Node(i).x, Node(i).y, 'r*');
hold on;
else
plot([Node(Node(i).CH).x; Node(i).x], [Node(Node(i).CH).y; Node(i).y],'o-');
hold on;
end
end
end
xlabel 'X-coordinates';
ylabel 'Y-coordinates';
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图3~6 DEBUC非均匀分簇图

三、参考文献

[1] 蒋畅江,石为人,唐贤伦,等.能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议[J].软件学报,2012(5):1222-1232

能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议_无线传感器_11