复杂水系无线监测网络的智能分簇算法研究
发布时间：2022-01-01 09:18
非规则网络的分簇划分会产生负载不均,导致出现"能量热区"现象。在复杂水系无线网络监测背景下,针对非规则网络分簇划分的拓扑结构不均匀问题,提出一种基于遗传机理的智能分簇算法。建立了拓扑模型和能耗模型,设计了基于能耗最小原则的遗传聚类策略。给出了P矩阵编码方式,避免了数据计算的平方递增;构造了自适应遗传算子和模糊修正算子,提高了搜索的有向性。实验结果表明,该算法在网络分簇、能耗负载、生存时间等方面具有较好的性能。
【文章来源】：系统仿真学报. 2019,31(11)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
复杂水系网络节点分布Fig.1Nodedistributionofcomplexwaternetwork
第31卷第11期Vol.31No.112019年11月华翔,等:面向复杂水系无线监测网络的智能分簇算法研究Nov.,2019http:∥www.china-simulation.com2257图1复杂水系网络节点分布Fig.1Nodedistributionofcomplexwaternetwork根据图1非规则复杂水系无线网络节点分布，设计非规则复杂水系网络模型如图2所示。该模型的提出是建立在以下假设条件基础上：1)监测节点位于非规则区域内，无孤立节点isoX，且各节点均为地理位置静止节点，每个节点赋予唯一的ID，具有相同的初始能量Einit；2)区域被划分为m个簇，第i个簇用Si表示(i1,2,3,...,m)，ijSSij；3)每个簇Si在每个时间段内有且仅有一个簇头Hi，簇头集合12,,...,mHHHH；4)簇Si有n个成员节点，以集合12,,...,iiiinXXXX表示；5)dhm表示簇头与成员节点的距离，dhh表示簇头与其他簇头的距离，dbs表示簇头与基站的距离。1.2无线通信网络能耗模型复杂水系网络的通信能耗包括簇头节点iH和簇内节点Xi之间的通信能耗、簇头之间的通信能耗以及簇头和基站的通信能耗，如图3所示。通信能耗满足自由空间传播模型和多径衰落模型。图2非规则复杂水系网络模型Fig.2Irregularcomplexwaternetworkmodel
第31卷第11期系统仿真学报Vol.31No.112019年11月JournalofSystemSimulationNov.,2019http:∥www.china-simulation.com2258图3复杂水系网络通信能耗模型Fig.3Communicationenergyconsumptionmodelofcomplexwaternetwork发送节点向距离为d的接收节点发送单位比特数据所消耗的能量为：4020,(d),elecampTxelecfsEdddEEddd≤(1)相应地，接收节点接收单位比特数据消耗的能量为：RxelecEE(2)式中：elecE为发送或接收单位比特数据所耗费的能量；εamp，εfs为多径衰落和自由空间传播两种模型[10]功放电路的能耗系数，d0为区分两种模型的门限阈值。单个簇头节点的通信能耗主要包括与簇内成员节点之间通信、与其他簇头节点之间通信，以及与基站之间通信的能耗。簇头节点处理单位比特数据的能耗headE可表示为：1211414()()[()]nheadRxelechmfsimRxelechhampiRxelecbsampEEEdEEdEEd(3)成员节点的能耗主要是与簇头节点通信的能耗。通常成员节点到簇头的距离较近，成员节点传输单位比特数据的能耗memberE为：2[()]memberRxelechmfsEEEd(4)单独簇内转发处理单位比特数据的能耗为：11nclusterheadmemberiEEE(5)复杂水系全网能耗总和为：1msumclusteriEiE(6)要使得全网能耗总和最小，由0sumEm得最优簇头数目为：2()fsoptampbselecnmdE(7)结合基站坐标值，由式(7)可得理想情况?
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线传感网中基于时变多旅行商和遗传算法的多目标数据采集策略[J]. 俸皓,罗蕾,王勇,叶苗. 通信学报. 2017(03)
[2]基于混合CS的WSN六边形格状优化分簇路由算法研究[J]. 崔灿,孙毅,陆俊,郝建红. 通信学报. 2016(05)
[3]基于理想点的星型高阶联合聚类一致融合策略[J]. 黄少滨,杨欣欣,吕天阳,郑纬民. 计算机学报. 2015(07)
[4]一种基于多跳路由的WSN分簇协议能耗优化模型[J]. 王海军,程宏斌. 系统仿真学报. 2014(05)
[5]采用遗传模拟退火策略的WSN节点部署优化[J]. 李忠. 系统仿真学报. 2014(02)
[6]基于DPSO的智能WSN分簇路由算法[J]. 范兴刚,侯佳斌,介靖,王万良,王翊. 传感技术学报. 2011(04)
本文编号：3562075
【文章来源】：系统仿真学报. 2019,31(11)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
复杂水系网络节点分布Fig.1Nodedistributionofcomplexwaternetwork
第31卷第11期Vol.31No.112019年11月华翔,等:面向复杂水系无线监测网络的智能分簇算法研究Nov.,2019http:∥www.china-simulation.com2257图1复杂水系网络节点分布Fig.1Nodedistributionofcomplexwaternetwork根据图1非规则复杂水系无线网络节点分布，设计非规则复杂水系网络模型如图2所示。该模型的提出是建立在以下假设条件基础上：1)监测节点位于非规则区域内，无孤立节点isoX，且各节点均为地理位置静止节点，每个节点赋予唯一的ID，具有相同的初始能量Einit；2)区域被划分为m个簇，第i个簇用Si表示(i1,2,3,...,m)，ijSSij；3)每个簇Si在每个时间段内有且仅有一个簇头Hi，簇头集合12,,...,mHHHH；4)簇Si有n个成员节点，以集合12,,...,iiiinXXXX表示；5)dhm表示簇头与成员节点的距离，dhh表示簇头与其他簇头的距离，dbs表示簇头与基站的距离。1.2无线通信网络能耗模型复杂水系网络的通信能耗包括簇头节点iH和簇内节点Xi之间的通信能耗、簇头之间的通信能耗以及簇头和基站的通信能耗，如图3所示。通信能耗满足自由空间传播模型和多径衰落模型。图2非规则复杂水系网络模型Fig.2Irregularcomplexwaternetworkmodel
第31卷第11期系统仿真学报Vol.31No.112019年11月JournalofSystemSimulationNov.,2019http:∥www.china-simulation.com2258图3复杂水系网络通信能耗模型Fig.3Communicationenergyconsumptionmodelofcomplexwaternetwork发送节点向距离为d的接收节点发送单位比特数据所消耗的能量为：4020,(d),elecampTxelecfsEdddEEddd≤(1)相应地，接收节点接收单位比特数据消耗的能量为：RxelecEE(2)式中：elecE为发送或接收单位比特数据所耗费的能量；εamp，εfs为多径衰落和自由空间传播两种模型[10]功放电路的能耗系数，d0为区分两种模型的门限阈值。单个簇头节点的通信能耗主要包括与簇内成员节点之间通信、与其他簇头节点之间通信，以及与基站之间通信的能耗。簇头节点处理单位比特数据的能耗headE可表示为：1211414()()[()]nheadRxelechmfsimRxelechhampiRxelecbsampEEEdEEdEEd(3)成员节点的能耗主要是与簇头节点通信的能耗。通常成员节点到簇头的距离较近，成员节点传输单位比特数据的能耗memberE为：2[()]memberRxelechmfsEEEd(4)单独簇内转发处理单位比特数据的能耗为：11nclusterheadmemberiEEE(5)复杂水系全网能耗总和为：1msumclusteriEiE(6)要使得全网能耗总和最小，由0sumEm得最优簇头数目为：2()fsoptampbselecnmdE(7)结合基站坐标值，由式(7)可得理想情况?
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线传感网中基于时变多旅行商和遗传算法的多目标数据采集策略[J]. 俸皓,罗蕾,王勇,叶苗. 通信学报. 2017(03)
[2]基于混合CS的WSN六边形格状优化分簇路由算法研究[J]. 崔灿,孙毅,陆俊,郝建红. 通信学报. 2016(05)
[3]基于理想点的星型高阶联合聚类一致融合策略[J]. 黄少滨,杨欣欣,吕天阳,郑纬民. 计算机学报. 2015(07)
[4]一种基于多跳路由的WSN分簇协议能耗优化模型[J]. 王海军,程宏斌. 系统仿真学报. 2014(05)
[5]采用遗传模拟退火策略的WSN节点部署优化[J]. 李忠. 系统仿真学报. 2014(02)
[6]基于DPSO的智能WSN分簇路由算法[J]. 范兴刚,侯佳斌,介靖,王万良,王翊. 传感技术学报. 2011(04)
本文编号：3562075
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