龍昭華，王 波，蔣貴全

（重慶郵電大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065）

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］是由布置在監(jiān)控區(qū)域的大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自組織而成，用來及時、有效、快速的為人們采集相關(guān)信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可以在多個應(yīng)用場景下提供廣泛的服務(wù)。資料顯示未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在工業(yè)自動化，物流，海洋和空間探索等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是現(xiàn)階段人們研究的關(guān)鍵點(diǎn)［2］之一。路由協(xié)議設(shè)計的一個主要目標(biāo)是通過高質(zhì)量的能量管理策略來提升網(wǎng)絡(luò)的生命周期［3］。為了均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗和延長網(wǎng)絡(luò)的生存期，層次路由協(xié)議提出了網(wǎng)絡(luò)分簇的概念，整個網(wǎng)絡(luò)按照合理的規(guī)則被劃分為若干個簇，每個簇由一個簇首節(jié)點(diǎn)和若干個非簇首節(jié)點(diǎn)組成。非簇首節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并把數(shù)據(jù)發(fā)給所屬簇首節(jié)點(diǎn)，簇首負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。這種分簇結(jié)構(gòu)使得層次路由協(xié)議被公認(rèn)為是最有希望減少能耗，緩解 “能量空洞”［4］，延長網(wǎng)絡(luò)生存期的方法。

鑒于層次路由的特點(diǎn)，本文的設(shè)計目的是在深入分析現(xiàn)有的典型層次路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，改進(jìn)并提出一種能夠有效解決網(wǎng)絡(luò)能耗問題的方法。

1 相關(guān)工作及存在的問題

為了滿足不同的應(yīng)用需求，研究者已經(jīng)提出了大量有關(guān)層次路由協(xié)議的算法。以下是對現(xiàn)階段幾種典型的層次路由協(xié)議進(jìn)行的分析。

文獻(xiàn) ［5］是對低功耗自適應(yīng)集群分層型LEACH 協(xié)議的描述。在LEACH 協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)按照輪的方式對簇進(jìn)行周期性的劃分，每一次組簇過程稱為一輪，一輪又分為兩個過程，即簇的組建和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)下式競選成為簇首

式中：k——簇首節(jié)點(diǎn)站網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點(diǎn)的百分比，r——已經(jīng)完成的回合數(shù) （即輪數(shù)），rmod（1／k）為每輪被選出的簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，G——還沒有被選舉為簇首的節(jié)點(diǎn)集合。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)競選成為簇首以后，立即廣播其成為簇首的消息至全網(wǎng)，非簇首節(jié)點(diǎn)按照接收到的信號強(qiáng)度選擇最近的簇首加入，并會獲得一個特有的收發(fā)時序。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，簇首節(jié)點(diǎn)會按照之前分配好的時序依次接收簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過簇首處理后轉(zhuǎn)發(fā)給基站。LEACH 協(xié)議的主要缺點(diǎn)是需要重復(fù)進(jìn)行簇的組建，對網(wǎng)絡(luò)的能量消耗比較大。

文獻(xiàn) ［6］是能量有效的分簇路由協(xié)議，即EECS 協(xié)議。類似于LEACH 的成簇結(jié)構(gòu)，不同點(diǎn)在于EECS 協(xié)議中的簇首節(jié)點(diǎn)是在隨機(jī)產(chǎn)生的候選簇首節(jié)點(diǎn)中以固定的通信半徑依據(jù)本身的剩余能量競選產(chǎn)生的，而普通節(jié)點(diǎn)將會依據(jù)節(jié)約自身的能耗和平衡簇首的負(fù)載等因素來確定非簇首節(jié)點(diǎn)選擇哪個簇首去加入。EECS協(xié)議的主要缺點(diǎn)也是需要重復(fù)進(jìn)行簇的組建，對網(wǎng)絡(luò)的能量消耗比較大。

文獻(xiàn) ［7］給出了PEGASIS協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一條 “鏈”，全網(wǎng)只選擇一個簇首節(jié)點(diǎn)，稱為leader。鏈中的每個節(jié)點(diǎn)利用信號的強(qiáng)度來調(diào)整發(fā)射功率，保證只有最近的鄰居節(jié)點(diǎn)才能夠收到信號。然后通過該鄰居節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)沿著鏈逐跳傳遞到leader節(jié)點(diǎn)，再由leader轉(zhuǎn)發(fā)給基站。當(dāng)每個節(jié)點(diǎn)都將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，則進(jìn)行下一輪的leader選舉。PEGASIS協(xié)議的缺點(diǎn)在于可能存在leader節(jié)點(diǎn)與基站距離較遠(yuǎn)，需要多跳才能到達(dá)基站的情況，而且協(xié)議需要動態(tài)調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)涞恼{(diào)整會帶來更大的能量開銷。

文獻(xiàn) ［8］是由Jae－h(huán)wan Noh等人給出的一個類似于LEACH 的協(xié)議MRPS，該協(xié)議的執(zhí)行同樣是周期性的，每一輪也包括分簇和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸兩個階段，不同的是MRPS協(xié)議引入了一個主簇首節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集所有簇首的數(shù)據(jù)，然后由主簇首將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。該協(xié)議的缺點(diǎn)之一同樣是網(wǎng)絡(luò)能耗問題，且網(wǎng)絡(luò)延遲較大。

針對以上協(xié)議目前存在的問題，本文在LEACH、EECS協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)了一種基于簇首重構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議—HRP－CHR 協(xié)議。該協(xié)議具有多跳，分層，簇域重構(gòu)，能耗均衡等特點(diǎn)，能夠使整個網(wǎng)絡(luò)的性能得到顯著的提高。

2 通信模型

HRP－CHR協(xié)議使用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用的低功耗模型，主要由自由空間信道模型和多徑衰落信道模型構(gòu)成。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的通信距離R 小于節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射距離時采用自由空間信道模型，當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的通信距離大于節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射距離R 時采用多徑衰落信道模型。R 是一個門限距離，即接收電路和發(fā)送電路之間距離的臨界值，這個臨界值R的定義如下

式中：L——傳輸損耗，hr、ht——接收端、發(fā)送端的天線高度，λ——無線電波的波長。

假設(shè)ETx代表節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時消耗的能量，ERx代表節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時消耗的能量。節(jié)點(diǎn)發(fā)送k比特數(shù)據(jù)到距離為d的目的節(jié)點(diǎn)所消耗的能量表示為［9］

節(jié)點(diǎn)接收發(fā)送過來的k比特數(shù)據(jù)所消耗的能量為

式中：Eelec——電路固定能耗值 （j／bit）；εfs——自由傳輸系數(shù) （j／bit／m2）；εmp——多徑衰落系數(shù) （j／bit／m4）。

通過上述的參數(shù)和公式，我們可以看出同等條件下，多徑衰落傳輸模型消耗的能量要遠(yuǎn)大于自由空間能量傳輸模型。因此，在HRP－CHR 協(xié)議路由算法的設(shè)計過程中，主要采用自由空間傳輸模型，目的是盡可能減小整個傳輸過程中能量的消耗。

3 HRP－CHR路由協(xié)議的設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

由于靠近基站較近的傳感器節(jié)點(diǎn)一方面要傳輸本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)，另一方面要轉(zhuǎn)發(fā)大量來自其它簇的數(shù)據(jù)而容易過早地死亡，繼而在其所監(jiān)控的范圍內(nèi)造成能量空洞，所以在多跳的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)當(dāng)使離基站較近的區(qū)域形成較小規(guī)模的簇，離基站較遠(yuǎn)的區(qū)域形成更大規(guī)模的簇，進(jìn)而達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。HRP－CHR協(xié)議基于以下的主要思想：

（1）網(wǎng)絡(luò)初始化時建立一個以數(shù)據(jù)接入點(diǎn)為中心的圓形的網(wǎng)絡(luò) （圖1），然后由基站依次向外對網(wǎng)絡(luò)劃分層次，每層的寬度依次遞增，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的坐標(biāo)、剩余能量及所屬的層次確定出該層次的簇首，并根據(jù)自身的通信半徑與相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)建立連接并組建成簇。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（2）進(jìn)行簇首的選擇時，節(jié)點(diǎn)通過接收基站廣播的簇首選擇消息，并結(jié)合自身坐標(biāo)和剩余能量采用集中式的選舉策略進(jìn)行選擇。保證通過基站選舉出的簇首能夠均勻的分布于整個網(wǎng)絡(luò)中且數(shù)量盡量的接近于最佳簇首數(shù)目，目的是盡可能的避免網(wǎng)絡(luò)能量空洞的出現(xiàn)。

（3）在組簇的時候，非簇首節(jié)點(diǎn)可以合理地選擇合適的簇首去加入，并組建成簇。

（4）節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)與簇間的路由搭建［10］。簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采取單跳的形式將數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的簇首節(jié)點(diǎn)；簇間采取多跳的形式將匯集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理之后傳送到基站，從而完成整個網(wǎng)絡(luò)路由搭建的過程。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和報文設(shè)計

節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下所示：

協(xié)議中使用的報文格式見表1，協(xié)議中的報文共有11種消息類型分別見表2。

表1 協(xié)議的報文結(jié)構(gòu)

表2 協(xié)議中的消息類型

3.3 組簇機(jī)制研究

3.3.1 層次寬度大小與簇域半徑的關(guān)系

HRP－CHR協(xié)議是一個多跳的非均勻?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)［11，12］，為了達(dá)到在能耗均衡的前提下網(wǎng)絡(luò)的生命周期最長的目的，需要使每一層在處理同等數(shù)據(jù)量Kbit的情況下能耗最少，也即等同于在此條件下各層內(nèi)簇域的能耗Ei最少。而簇域半徑ri與層間距xi的大小關(guān)系直接決定著各簇域的能量消耗情況，所以以下的證明給出了最佳簇域半徑與層寬關(guān)系的計算方法。

設(shè)第i（1＜＝i＜＝n）層圓環(huán)的寬度為xi，它的簇域半徑是ri。為了保證一個簇域可以完全覆蓋所在層次圓環(huán)的寬度，簇域的半徑ri首先必須要滿足ri＞＝xi／2。其次設(shè)簇首位于簇域的中心，S是節(jié)點(diǎn)j距簇首的距離，則距離期望可表示為

節(jié)點(diǎn)j傳輸單位數(shù)據(jù)造成的網(wǎng)絡(luò)總能耗Ej為

所以該簇中n個普通節(jié)點(diǎn)的傳輸總能耗E為

由式 （10）可知：r越大，一個簇的傳輸總能耗越大，也即層間能耗就越大，所以在滿足數(shù)據(jù)采集任務(wù)的前提下，層間能耗取得最小值的臨界點(diǎn)為簇半徑取最小值，而由于ri＞＝xi／2，所以ri取最小值ri＝xi／2。顯然，由于內(nèi)層節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)外層數(shù)據(jù)而消耗部分額外能量，在此不難推出，當(dāng)層寬相對過大時，外層簇域面積由于過大會使簇首節(jié)點(diǎn)過早死亡；當(dāng)層寬相對過小時，又會增加網(wǎng)絡(luò)多跳時延。因此，在層間能耗達(dá)到最低值的前提下，如何尋求層寬的最佳值［13］使得網(wǎng)絡(luò)能耗達(dá)到均衡是需要解決的問題。

設(shè)檢測區(qū)域?yàn)橐詀為半徑的圓形區(qū)域，且節(jié)點(diǎn)的鋪設(shè)密度為λ，其中成員節(jié)點(diǎn)的密度為λ1，簇首節(jié)點(diǎn)的密度為λ2。設(shè)每個消息大小為單位K，網(wǎng)絡(luò)分為n層，第n圓環(huán)的寬度為xn，第n層中的成員節(jié)點(diǎn)到簇首的距離期望值為kn。則有第n層圓環(huán)的節(jié)點(diǎn)平均能耗為

其中，Ech是第i層所有簇首的能耗，Enormal是第i層成員節(jié)點(diǎn)的能耗，ER是接受信息的能耗，ET是發(fā)射信息能耗。

由于HRP－CHR協(xié)議中高層次的數(shù)據(jù)要經(jīng)過低層次轉(zhuǎn)發(fā)到基站。所以第n－1層除了傳輸本層節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)外還要接受和轉(zhuǎn)發(fā)第n層的數(shù)據(jù)

所以有

第i層則負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)第n層到第i＋1層的數(shù)據(jù)。所以根據(jù)上式可以推出第i層的平均能耗為

為了均衡能耗，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，協(xié)議盡量使整個網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)平均能耗相等，即滿足

EΔi為上層簇首發(fā)來的數(shù)據(jù)引起的能耗，如果EΔi為零，那么每層的寬度均為R 便可滿足每層平均能耗相等。但是實(shí)際上EΔi不可能為零，所以滿足能耗均衡的層寬度xi需滿足

式中：ζ，τ，ρ——關(guān)于εfs，λ，λ1，λ2的一個常量。為了使第一層盡量包含多的節(jié)點(diǎn)直接和基站通信，所以取第一層的寬度為R，即x1＝R。這樣在式 （21）的前提下解出的每層寬度的最優(yōu)值大小xi必然能夠保證整個網(wǎng)絡(luò)能耗的相對均衡，從而達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

3.3.2 最佳簇首數(shù)的確定

通過以上的分析可以得知，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每層的層次寬度和簇域大小已基本確定，也即確保了網(wǎng)絡(luò)具有能耗最小且能耗均衡的特點(diǎn)。因此接下來就需要在此條件下確定簇域內(nèi)最佳簇首個數(shù)的問題。通過分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型可以得出每層簇的個數(shù)也即最佳簇首的個數(shù)為簇所在層次的總面積與單個簇的面積之比。在圖1的基礎(chǔ)上，假設(shè)L 為網(wǎng)絡(luò)半徑，N 為簇首個數(shù)，則當(dāng)i為第n層時

當(dāng)i為其它層 （0＜i＜n）時

至此，網(wǎng)絡(luò)的層次寬度和簇半徑的大小，以及最佳簇首數(shù)已確定，這樣就基本確定了整個網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化配置，下一步就需要進(jìn)行路由搭建工作。

3.4 多跳路由的搭建

簇間路由的作用是將網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的簇鏈接起來。然后在此基礎(chǔ)上通過綜合衡量與下一跳簇首之間的距離及下一跳簇首的剩余能量，從而形成從目標(biāo)簇首到基站之間的最佳路由。

簇間路由主要由路由建立和路徑維護(hù)兩部分構(gòu)成。路由建立方法因網(wǎng)絡(luò)層次不同而有所區(qū)別，路徑維護(hù)是保證路由健壯性不可缺少的組成部分。

（1）簇間路由的建立：當(dāng)?shù)趇（0＜i＜＝n）層的某個簇首A 有數(shù)據(jù)需要回傳給基站時，則開始進(jìn)行路由的搭建：

步驟1 簇首A 首先廣播消息Msg＿to＿Next至i－1層。

步驟2 當(dāng)?shù)趇－1層的簇首節(jié)點(diǎn)收到該信息之后，便回傳消息Msg＿ElectB 給A。其中Msg＿ElectB 消息包含其簇首節(jié)點(diǎn)的層次ID、剩余能量和坐標(biāo)。

步驟3 A 分別計算與每個回傳消息的簇首節(jié)點(diǎn)的距離d和其剩余能量E，選取E／d的值最大的簇首節(jié)點(diǎn)B 作為下一跳節(jié)點(diǎn)。A 節(jié)點(diǎn)設(shè)A.Next＝B。

步驟4 節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送Msg＿ACK＿B 消息，為了給B節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，B 節(jié)點(diǎn)設(shè)B.Last＝A。此時一跳的路徑搭建成功。

步驟5 隨后B節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送Msg＿to＿Next給i－2層，完成下一跳路由發(fā)現(xiàn)。

以此類推，直到A 的消息被轉(zhuǎn)發(fā)到基站時，從簇首節(jié)點(diǎn)A 到基站的路由搭建宣布完成。在包含有多條到基站的路徑中，A 會根據(jù)距離d和剩余能量E 選取最佳路徑到基站。緊接著基站反方向的沿該條路徑發(fā)送消息Msg＿OK去通知簇首A 可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)Msg＿Data。

簇間路由搭建的過程如圖2所示。

圖2 簇間路由搭建

（2）路徑維護(hù)策略：當(dāng)相同的一條的傳輸路徑在使用一段時間之后，該路徑上的一些傳感器節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)能量消耗過快的現(xiàn)象。在本協(xié)議中采用為退出節(jié)點(diǎn)尋找E／d次大的值的替補(bǔ)策略重新填補(bǔ)路徑，而不需要重新搭建路徑。某條路徑中的簇首節(jié)點(diǎn)B的能耗達(dá)到該簇內(nèi)的平均值E－時，該節(jié)點(diǎn)就需要退出路徑。其過程如下：

步驟1 首先節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個消息，Msg＿ExitB，它包含下一跳節(jié)點(diǎn)C的層次ID 消息，給自己的上一跳A 節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)B不再成為該路徑上的節(jié)點(diǎn)，即Node（B）.Type＝1。

步驟2 而節(jié)點(diǎn)A 按照上面所述的路由搭建方法，重新發(fā)送Msg＿Reto＿Next尋找到下一跳節(jié)點(diǎn)D。則D 回傳消息Msg＿ReElectB。

步驟3 此時A 發(fā)送包含節(jié)點(diǎn)C 的層次ID 的消息Msg＿NextNext給D。D 設(shè)置D.last＝A，D.Next＝C，從而D 完成了對節(jié)點(diǎn)B的補(bǔ)充，使整個路徑得到了重新填補(bǔ)，當(dāng)然數(shù)據(jù)傳輸可以繼續(xù)的進(jìn)行。

路徑維護(hù)策略的過程如圖3所示。

圖3 路徑維護(hù)策略

綜上所訴，HRP－CHR 協(xié)議與LEACH、EECS協(xié)議相比較，改進(jìn)的地方有：

（1）摒棄輪詢的組簇機(jī)制，采用網(wǎng)絡(luò)初始化時一次分簇的策略，這樣能節(jié)省更多能量用于真實(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

（2）網(wǎng)絡(luò)初始化為一個以基站為中心，層次寬度由內(nèi)向外依次增大的非均勻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)驗(yàn)證能夠有效均衡全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能耗，避免能量空洞的出現(xiàn)。

（3）簇的重建不再在全網(wǎng)進(jìn)行，而是以簇域?yàn)閱挝唬捎么厥字貥?gòu)策略進(jìn)行組建。

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)以Matlab作為實(shí)驗(yàn)平臺，分別從網(wǎng)絡(luò)生存期，網(wǎng)絡(luò)能耗情況和數(shù)據(jù)傳輸總量3個方面對HRP－CHR 協(xié)議進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為在半徑為R＝200m 的圓形監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，基站隨機(jī)分布在監(jiān)測區(qū)域的任意位置，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并按固定的頻率回傳，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建好后的監(jiān)測區(qū)域如圖4所示，其中黑色星狀代表傳感器節(jié)點(diǎn)，正方形狀代表基站。

圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)情況

（1）網(wǎng)絡(luò)生存時間對比情況：網(wǎng)絡(luò)生存時間反映了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)量的狀況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （圖5）可得HRP－CHR 協(xié)議中最后一個節(jié)點(diǎn)的死亡時間要晚于EECS和LEACH 協(xié)議中最后一個節(jié)點(diǎn)的死亡時間。HRP－CHR 協(xié)議的生存時間優(yōu)于EECS 和LEACH 協(xié)議，更適合于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，更加適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

圖5 網(wǎng)絡(luò)生存時間實(shí)驗(yàn)

（2）網(wǎng)絡(luò)總能耗對比情況：網(wǎng)絡(luò)總能耗反映了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)隨著協(xié)議的運(yùn)行總的消耗能量情況。實(shí)驗(yàn)可以得出在大部分時間下，HRP－CHR 協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)總能量都要大于EECS和LEACH 協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)總能量。因此HRP－CHR的總的能量大于EECS和LEACH，這主要是由于對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分層均衡了網(wǎng)絡(luò)的能耗的原因。

網(wǎng)絡(luò)能耗實(shí)驗(yàn)如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)能耗實(shí)驗(yàn)

（3）基站接收數(shù)據(jù)量對比情況：基站收到的數(shù)據(jù)量的情況不僅能反映出網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)量，而且還能反映出網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的整體生存情況。實(shí)驗(yàn)表明HRP－CHR 協(xié)議中基站接收的數(shù)據(jù)量要大于EECS 和LEACH 協(xié)議中的數(shù)據(jù)量，即HRP－CHR協(xié)議發(fā)送給基站的數(shù)據(jù)量最多。這是因?yàn)橛捎贖RP－CHR協(xié)議采用簇首重構(gòu)從而摒棄了輪詢的方法，使得整個絡(luò)用于傳輸數(shù)據(jù)的時間大大的增加。

數(shù)據(jù)傳輸總量實(shí)驗(yàn)如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸總量實(shí)驗(yàn)

由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在大范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，HRP－CHR 協(xié)議的生存時間要優(yōu)于LEACH、EECS協(xié)議，同一時間段，HRP－CHR 協(xié)議的總能耗要小于后兩者，而且，HRP－CHR 協(xié)議發(fā)送給基站的數(shù)據(jù)量也要多于后兩者。說明HRP－CHR協(xié)議具有良好的網(wǎng)絡(luò)性能。

5 結(jié)束語

本文分析了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議的不足，在原有的基礎(chǔ)上改進(jìn)了一種基于簇首重構(gòu)的路由協(xié)議—HRP－CHR協(xié)議，并設(shè)計了協(xié)議中主要用到的報文格式。此外還詳細(xì)分析了該協(xié)議的工作流程，這其中涉及了網(wǎng)絡(luò)模型的大量計算。最后通過MATLAB 仿真工具驗(yàn)證了該協(xié)議與LEACH 和EECS協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生存期，網(wǎng)絡(luò)能耗和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量3個方面的性能表現(xiàn)，得出HRP－CHR 協(xié)議具有更好的有效性和實(shí)用性。

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