基于簇头节点能量均衡选择的LEACH优化算法

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.06.013

辽宁石油化工大学学报 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (6): 82-88.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2023.06.013

基于簇头节点能量均衡选择的LEACH优化算法

吴英浩¹(), 石元博¹(), 黄越洋²

^1.辽宁石油化工大学人工智能与软件学院，辽宁抚顺 113001
^2.辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2022-08-02 修回日期:2022-08-20 出版日期:2023-12-25 发布日期:2023-12-30
通讯作者: 石元博
作者简介:吴英浩（1997⁃），男，硕士研究生，从事无线传感网络方面的研究；E⁃mail：sdpywyh@163.com。
基金资助:
辽宁省教育厅科研项目(LJKMZ20220737);辽宁石油化工大学博士启动基金项目(2021XJJL?017)

Energy Balanced Leach Optimization Algorithm Based on Cluster Head Node Selection

Yinghao WU¹(), Yuanbo SHI¹(), Yueyang HUANG²

^1.School of Artificial Intelligence and Software，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.School of Information and Control Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China

Received:2022-08-02 Revised:2022-08-20 Published:2023-12-25 Online:2023-12-30
Contact: Yuanbo SHI

摘要/Abstract

摘要：

针对无线传感网络中LEACH协议在进行簇头节点选择时能量消耗过快导致的生存周期短、数据吞吐量低等问题，提出了一种基于簇头节点能量均衡选择的LEACH优化算法。该算法选取WSNs中剩余能量高的普通节点作为簇头节点，同时考虑普通节点与簇头节点、簇头节点与基站之间的距离，以及所有节点的剩余能量和平均能量等因素来选择通信方式和传输路径。通过MATLAB工具，对提出的算法进行了仿真实验。结果表明，在100 m×100 m的小面积监测区域和200 m×200 m的大面积监测区域内，与LEACH、DEEC、IMP?LEACH算法相比，该算法降低了WSNs中节点的能量消耗，延长了生存周期，同时提高了数据吞吐量。

关键词: 无线传感网络, LEACH协议, 簇头节点选择, 能量均衡, 网络生存周期

Abstract:

In order to solve the problems of short life cycle and low data throughput caused by too fast energy consumption in cluster head node selection of LEACH protocol in wireless sensor networks, a leach optimization algorithm based on cluster head node energy balanced selection is proposed. The algorithm selects ordinary nodes with high residual energy in WSNs as cluster head nodes, and considers the distance between ordinary nodes and cluster head nodes and between cluster head nodes and base station, as well as the residual energy and average energy of all nodes to select communication mode and transmission path. The proposed algorithm is simulated by MATLAB. The simulation results show that in the 100 m×100 m small and monitoring area and 200 m×200 m large and monitoring area, compared with LEACH, DEEC and IMP?LEACH algorithms, the algorithm reduces the energy consumption of nodes in WSNs, prolongs the life cycle and improves the data throughput.

Key words: Wireless sensor network, LEACH protocol, Cluster head node selection, Energy balance, Network lifetime

中图分类号:

TP393

吴英浩, 石元博, 黄越洋. 基于簇头节点能量均衡选择的LEACH优化算法[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(6): 82-88.

Yinghao WU, Yuanbo SHI, Yueyang HUANG. Energy Balanced Leach Optimization Algorithm Based on Cluster Head Node Selection[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2023, 43(6): 82-88.

图/表 8

图1 LEACH协议拓扑图

图2 WSNs拓扑结构图

图3 EBM_LEACH算法示意图

表1 仿真参数设置

参数	数值
网络范围	100 m×100 m/200 m×200 m
节点个数n	100
基站位置	(50,50）/(100,100)
节点初始能量 $E 0$ /J	0.2
数据信息大小/bit	4 000
控制信息大小/bit	32
$E D A$ / (NJ·bit^-1)	5×10^-8
$E e l e c$ / (NJ·bit^-1)	5×10^-7
$ε f s$ / (J·bit^⁃1·m^-2)	10^-12
$ε m p$ / (J·bit^⁃1·m^-2)	1.3×10^-15
运行周期/轮	1 000
簇头概率p	0.1
W₁/W₂	0.5/0.5
$c 1$ / $c 2$ / $c 3$	0.5/0.3/0.2

表1 仿真参数设置

参数	数值
网络范围	100 m×100 m/200 m×200 m
节点个数n	100
基站位置	(50,50）/(100,100)
节点初始能量 $E 0$ /J	0.2
数据信息大小/bit	4 000
控制信息大小/bit	32
$E D A$ / (NJ·bit^-1)	5×10^-8
$E e l e c$ / (NJ·bit^-1)	5×10^-7
$ε f s$ / (J·bit^⁃1·m^-2)	10^-12
$ε m p$ / (J·bit^⁃1·m^-2)	1.3×10^-15
运行周期/轮	1 000
簇头概率p	0.1
W₁/W₂	0.5/0.5
$c 1$ / $c 2$ / $c 3$	0.5/0.3/0.2

图4 不同面积区域的节点部署

图5 WSNs的生存周期对比

图6 WSNs在不同面积区域的剩余总能量对比

图7 WSNs在不同面积区域的数据吞吐量对比

参考文献 21

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基于簇头节点能量均衡选择的LEACH优化算法

Energy Balanced Leach Optimization Algorithm Based on Cluster Head Node Selection

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