【正文】 ...................17 EECHS 算法 ...............................................................................................................................................................17 算法性能分析 ..........................................................................................................................................................19 小結(jié) ...............................................................................................................................................................................21 5. 算法仿真實驗 .............................................................................................................................................................. 22 實驗平臺 ....................................................................................................................................................................22 實驗設(shè)計 ....................................................................................................................................................................22 實驗過程 ....................................................................................................................................................................23 實驗結(jié)果 ....................................................................................................................................................................25 小結(jié) ...............................................................................................................................................................................27 結(jié) 論 ............................................................................................................................................................................... 28 致 謝 ............................................................................................................................................................................... 30 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 IV 頁 參考文獻 ............................................................................................................................................................................... 31 附錄 A 部分源程序 ........................................................................................................................................................ 33 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 1 頁 1. 緒論 課題 研究 背景 與意義 隨著通訊技術(shù)，計算機技術(shù)和傳感技術(shù)的日益成熟，微型傳感器在世界范圍內(nèi)廣泛出現(xiàn)。主要的信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作，紛紛設(shè)立或啟動相應(yīng)的行動計劃。 綜上所述，本文研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量有效的分簇算法，具有重要的理論意義與實用價值。 網(wǎng)絡(luò)分布 如圖 1 所示， 圖 簇集網(wǎng)絡(luò)示意圖 簇頭選取算法 簇頭的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)， 在一些算法中，比如 Maxmin Zpmin， 簇頭是被預(yù)先指定部署的，且假設(shè)它們的能量并不受限。 (2) 針對 LEACH 算法在簇頭選取過程中沒有考慮簇頭在簇結(jié)構(gòu)中位置 和 沒有考慮節(jié)點實際部署情況而引發(fā)的問題，將基于節(jié)點平均能耗的簇頭選取算法和節(jié)點密度數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來，提出了能量有效簇頭選取算法。 小結(jié) 本章首先給出了課題的研究背景與意義、然后綜述了國內(nèi)外 傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋判定算法 的研究現(xiàn)狀、最后，給出了論文的結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容簡介。電源為傳感器提供正常 工作所必需的能源。 Sink 直接與 Inter 或通信衛(wèi)星相連，通過 Inter 或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點 (即觀察者 )與傳感器之間的通信。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。 (4) 感知數(shù)據(jù)流巨大。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括感知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、 理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。而且還可以減輕護理人員的負(fù)擔(dān)。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡(luò)進行測試，該網(wǎng)絡(luò)由 40 臺機器上的 210 個傳感器組成 ，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。如何使用大量具有有限計算能力的傳感器進行協(xié)作分布式信息處理，是我們面臨的第 3 個挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。每個傳感器僅僅具有有限的計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流。這就是通過各種優(yōu)化應(yīng)用，完善操作系統(tǒng)和通信協(xié)議來降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，從而在總能量不變的情況 下增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間。 ? 分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，有利于分布式算法的應(yīng)用，可以對系統(tǒng)變化作出快速反應(yīng)，具有較好的可擴展性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。并根據(jù)該閥值從候選節(jié)點中 挑 選簇頭，具體的步驟： Step1： 若傳感器節(jié)點 Ni∈ G，則對于每個 Ni獨立運算 ()式，獲得閥值 T(n)。在初始化階段，隨機選擇節(jié)點為簇首領(lǐng)，成為簇首領(lǐng)的節(jié)點向周圍廣播信息，其它節(jié)點根據(jù)接受到廣播信息的強度來選擇它所要加入的簇，并告知相應(yīng)的簇首領(lǐng)，由于信息的強度和節(jié)點之間的距離是成正比的，因此，實際上各非 簇頭節(jié)點是選擇距離自己地理距離最短的簇頭所在的簇加入，并形成簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 如圖 所示： 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 12 頁 圖 成簇階段圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)首先產(chǎn)生中心節(jié)點，其余節(jié)點加入距離自己最近的中心節(jié) 點所在的簇，然后由中心節(jié)點直接和 SINK 節(jié)點進行通訊。 由此導(dǎo)致在 傳感器節(jié)點密集分布 區(qū)域的簇頭能耗巨大 ， 而在 傳感器節(jié)點稀疏分布 區(qū)域的簇頭能耗較小，網(wǎng)絡(luò)中各簇頭的能耗極不均衡。 圖 具有 8 個節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò) 假定各節(jié)點的初始能量均為 20，各節(jié)點簇內(nèi)通訊半徑為 10。 1．每輪動態(tài)成簇的能量開銷包括以下幾個方面 (1) 網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點獨立的進行運算，然后根據(jù)結(jié)果判斷自己是否能夠成為簇頭節(jié)點所耗費的能量。 (5) 簇頭節(jié)點將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站所耗費的能量。 本章首先提出了密度調(diào)節(jié)參數(shù)數(shù)學(xué)模型，然后把其與上一章提出的平均能耗調(diào)節(jié)參數(shù)結(jié)合起來，進而提出了能量有效的分布式簇頭選取算法。 密度調(diào)節(jié) 參數(shù) 如式 ()； ( ) ( ( ) 1 ) ( )F n N o d e d e n s i t y i N o d e d e n s i t y i? 其中 Nodedensity(i)=1 ()jmj Nj??? ， N(j)∈ NeighborSet(i)。 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 19 頁 1( ) 1 ( )1() 1 ( m od )0av g av gsc ur c urp EEF di v F n GrTn pprp? ??? ?? ???? ??? ? ? ?? ???? ??? ? ???? ?????? ?????： 若： 否 則 (iii) 其中， rs 為節(jié)點連續(xù)未當(dāng)選為簇頭的輪數(shù)，一旦節(jié)點當(dāng)選簇頭，則 rs 重置為 0。 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 21 頁 如果假設(shè)在三點中只能有兩個點成為簇頭，依據(jù)上面的計算結(jié)果， F 和 D 兩節(jié)點是最有可能的組合。 C是可用于創(chuàng)建要運行在 .NET CLR 上的應(yīng)用程序語言之一，是 Microsoft 專門為 .NET Framework 平臺而創(chuàng)建的完全的面向?qū)ο蟮恼Z言。 (5) 可以把程序編譯為可執(zhí)行文件或 .NET 組件庫，該組件庫可以用于 ActiveX 控件(COM 組件 )相同的方式由其它代碼調(diào)用。 (3) 為確定節(jié)點的密度屬性，計算該節(jié)點和其它所有節(jié)點的直線距離，并統(tǒng)計距離 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 23 頁 小于指定值的節(jié)點的總數(shù)，再計算出該節(jié)點的密度。隨后仿真實驗平臺將生成節(jié)點分布的模擬圖。 圖 分簇結(jié)果圖 圖 為在指定參數(shù)的情況下分簇結(jié)果圖，在圖 中可通過選擇左側(cè)窗格中的分簇輪數(shù)來查看該輪產(chǎn)生的簇頭節(jié)點的個數(shù)及各簇頭的坐標(biāo)，同時還可以查看總的分簇輪數(shù)，從而與 采用 LEACH 算法 時傳感器網(wǎng)絡(luò) 的生命周期進行比較。 圖 節(jié)點部署模擬圖 圖 為模擬 100 個 節(jié)點部署的截圖，其中每個小圈代表一個傳感器節(jié)點。 (8) 每輪分簇完成后，判斷所有節(jié)點的當(dāng)前能量，若當(dāng)前能量小于 0，則表示該節(jié)點能量耗盡，否則繼續(xù)實驗并統(tǒng)計分簇的輪數(shù)。最后將 x和 y 作為節(jié)點的坐標(biāo)，從而確定節(jié)點的位置。 (4) 可以對 .NET 基類庫進行完全的訪問，使用 .NET Framework 代碼庫提供的每種功能。 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 22 頁 5. 算法仿真實驗 開發(fā)一個操作簡 單，使用方便，直觀的傳感器節(jié)點部署及分簇的系統(tǒng)仿真平臺。因為對 于 D， F， H 而言，11 ( mod )pprp?的值均相同，故令11 ( mod )pprp?=K，則 D， F， H 三點的 T(n)值分別為： 67K ， 89K ， 23K 。故，式 ()可修訂為以下式 (ii)： ()11 ( m od )()0av gc urp EF n GEprTnp? ??? ?? ????： 若： 否 則 (ii) 在 上 式 (ii)中，當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)能量較低， 即 Ecur? Eavg 且 Ecur 與 Eavg 接近時， ()avecu