黃金國(guó)，劉 濤，周先春，嚴(yán)錫君

(1.江蘇開放大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 210017；2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210017；3.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 江蘇 南京 210098)

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究課題是研究如何有效管理節(jié)點(diǎn)的能量，以盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間[1-4]。為了提高傳感器的能量利用效率，常采用聚類機(jī)制，但是該協(xié)議沒(méi)有考慮多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的熱區(qū)問(wèn)題。當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)彼此協(xié)作以將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站時(shí)，更靠近基站的簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)沉重的中繼業(yè)務(wù)，這些節(jié)點(diǎn)會(huì)過(guò)早消亡[5-9]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]提出了一種EEUC(energy-efficient unequal clustering)機(jī)制，用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的周期性數(shù)據(jù)采集。該機(jī)制將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)劃分成大小不等的簇，靠近基站的簇的規(guī)模大于遠(yuǎn)離基站的簇的規(guī)模。因此，更靠近基站的簇首可以為簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)保留一些能量。該機(jī)制還提出了一種用于簇間通信的多跳路由協(xié)議，降低轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的能量消耗。EEUC機(jī)制在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者在該機(jī)制的基礎(chǔ)上研究改進(jìn)機(jī)制，以期進(jìn)一步提高能量利用效率。如文獻(xiàn)[11]對(duì)EEUC的簇間多跳路由通信協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，為各簇首節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，僅由根節(jié)點(diǎn)與基站進(jìn)行通信，降低其它簇首節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)的能耗，一定程度上緩解距離基站近的區(qū)域的熱區(qū)問(wèn)題。然而，根節(jié)點(diǎn)的能耗很大，也帶來(lái)了新的能耗不均衡問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]對(duì)EEUC的簇首選舉進(jìn)行改進(jìn)，在原有簇首選舉的基礎(chǔ)上，又為每一個(gè)簇選出一個(gè)副簇首，這樣每一個(gè)簇的兩個(gè)簇首分別執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)采、融合任務(wù)，降低簇首能耗。但是，EEUC的分簇是不均勻的，有些簇規(guī)模很小，這些簇選擇雙簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)管理有可能增加能耗。文獻(xiàn)[13]對(duì)EEUC機(jī)制的簇首選舉和簇間通信兩個(gè)部分進(jìn)行改進(jìn)，在選舉簇首時(shí)引入能量、節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)和距離等參量計(jì)算門限函數(shù)和競(jìng)爭(zhēng)半徑，在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)引入候選中繼節(jié)點(diǎn)己當(dāng)選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的次數(shù)以及簇內(nèi)成員個(gè)數(shù)兩個(gè)參量計(jì)算網(wǎng)絡(luò)能量代價(jià)開銷，一定程度上均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗。但是，對(duì)于EEUC機(jī)制劃分的規(guī)模較大的簇，由于簇內(nèi)成員過(guò)多導(dǎo)致簇首節(jié)點(diǎn)能耗過(guò)大，能耗分布仍不均衡。本文重點(diǎn)針對(duì)EEUC機(jī)制劃分的規(guī)模較大的簇的能耗均衡問(wèn)題進(jìn)行深入研究，對(duì)大規(guī)模簇提出一種節(jié)點(diǎn)分組策略，由分組中心節(jié)點(diǎn)分擔(dān)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和融合任務(wù)，降低簇首節(jié)點(diǎn)能耗，進(jìn)一步均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。同時(shí)，也對(duì)EECU機(jī)制的簇首節(jié)點(diǎn)選舉部分的門限函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)引入能量項(xiàng)和距離項(xiàng)，促使候選簇首節(jié)點(diǎn)偏向選擇離基站更近和剩余能量更多的節(jié)點(diǎn)，這樣也有助于避免將剩余能量偏低或者擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)后能耗偏大的節(jié)點(diǎn)作為候選簇首節(jié)點(diǎn)，從而避免這些節(jié)點(diǎn)過(guò)早消亡。

1 相關(guān)知識(shí)

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地部署在一個(gè)區(qū)域，以持續(xù)監(jiān)控該區(qū)域的環(huán)境。傳感器節(jié)點(diǎn)和底層網(wǎng)絡(luò)模型滿足以下假設(shè)：

(1)網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)區(qū)域的基站，傳感器和基站在部署后都是靜止的，基站能量是無(wú)限的。

(2)所有節(jié)點(diǎn)是均勻的，具有相同的能力。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符(ID)。

(3)節(jié)點(diǎn)不需要配備GPS功能單元來(lái)獲取精確的位置信息。

(4)節(jié)點(diǎn)可以使用功率控制來(lái)調(diào)整自身發(fā)射功率。

(5)鏈路具有對(duì)稱性，也即如果給定發(fā)射功率，節(jié)點(diǎn)可以基于接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)與其近似距離。

(6)節(jié)點(diǎn)可以感知自身的剩余能量。

1.2 EEUC機(jī)制

EEUC機(jī)制采用非均勻分簇和多跳路由組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，均衡網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能耗。EEUC是一種分布式競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，簇首節(jié)點(diǎn)通過(guò)局部競(jìng)爭(zhēng)選舉，這與LEACH機(jī)制不同。節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑隨著距離基站的距離而減小。這樣帶來(lái)的結(jié)果是，靠近基站的分簇的規(guī)模較小，這樣降低簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎模瑸榇厥坠?jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)其它簇的數(shù)據(jù)節(jié)約能量。EEUC機(jī)制的簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸方式與LEACH機(jī)制相同，而簇間數(shù)據(jù)傳輸采用多跳路由協(xié)議，簇首根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量及其到基站的距離從其相鄰簇首中選擇一個(gè)最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)簇首節(jié)點(diǎn)到基站的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。EEUC機(jī)制的最大優(yōu)勢(shì)是可以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，顯著改善網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，EEUC機(jī)制以及以該機(jī)制為基礎(chǔ)的改進(jìn)機(jī)制在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

EEUC機(jī)制使用一種簡(jiǎn)化的能耗模型，該模型依據(jù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離d，選擇使用自由空間(d2功率損耗)和多徑衰減(d4功率損耗)兩種信道模型。在距離d上傳輸l位數(shù)據(jù)包的能耗可以表示為

(1)

對(duì)應(yīng)的接收能耗可以表示為

ERx(l)=lEelec

(2)

其中，Eelec表示數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中的電路能耗，εfs和εmp分別表示自由空間和多徑衰減兩種信道模型的能耗，d0為距離閾值，可以表示為

(3)

傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)融合時(shí)也會(huì)消耗能量，記為EDA。EEUC機(jī)制還假設(shè)傳感器感知的信息是高度相關(guān)的，因此簇首節(jié)點(diǎn)可以將從其簇成員節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)融合成單個(gè)長(zhǎng)度固定的數(shù)據(jù)包。

2 改進(jìn)EEUC機(jī)制

EEUC采用非均勻分簇思想，距離基站越遠(yuǎn)的簇，其簇的規(guī)模越大，這樣盡管可以降低通信能耗，但是簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收及融合任務(wù)重，能耗較高。為了均衡大規(guī)模簇的節(jié)點(diǎn)能耗，本文采用節(jié)點(diǎn)分組的思想，由分組的中心節(jié)點(diǎn)分擔(dān)簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收和融合任務(wù)，從而降低簇首節(jié)點(diǎn)的能耗。此外，改進(jìn)簇首節(jié)點(diǎn)選舉的門限函數(shù)，通過(guò)引入能量項(xiàng)和距離項(xiàng)，促使候選簇首節(jié)點(diǎn)偏向選擇離基站更近和剩余能量更多的節(jié)點(diǎn)，避免將剩余能量偏低或者擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)后能耗偏大的節(jié)點(diǎn)作為候選簇首節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)過(guò)早消亡。詳細(xì)描述如下。

2.1 簇首選舉

對(duì)于每一個(gè)候選簇首節(jié)點(diǎn)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的競(jìng)選半徑，然后構(gòu)建候選簇首節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)表，將候選簇首節(jié)點(diǎn)和其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行排序，選擇剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)作為最終的簇首節(jié)點(diǎn)，同時(shí)競(jìng)選半徑內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)不再參與簇首選舉過(guò)程。

LEACH協(xié)議設(shè)計(jì)的門限函數(shù)為

(4)

在每一輪選舉時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)0～1之間的隨機(jī)數(shù)u，如果u

但是，LEACH協(xié)議設(shè)計(jì)的門限函數(shù)沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。由于簇首節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理與傳輸工作，耗費(fèi)能量很大，因此，剩余能量較小的節(jié)點(diǎn)不易作為候選簇首節(jié)點(diǎn)。另外，簇首節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)著簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與基站的通信任務(wù)，簇首節(jié)點(diǎn)離基站越近，網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗越小?；谶@一思路，本文對(duì)門限函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，引入能量項(xiàng)和距離項(xiàng)，可以表示為

(5)

(6)

得到候選簇首節(jié)點(diǎn)之后，需要為每一個(gè)候選簇首節(jié)點(diǎn)計(jì)算競(jìng)選半徑，本文仍采用EEUC機(jī)制的競(jìng)選半徑計(jì)算方法，候選簇首節(jié)點(diǎn)n的競(jìng)選半徑可以表示為

(7)

其中，Rmax表示競(jìng)選半徑的最大值，dmax和dmin分別表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到基站的最大和最小距離，c表示一個(gè)范圍在0～1之間的參數(shù)。在本文中取值為0.5。

這樣，每一個(gè)候選簇首節(jié)點(diǎn)n在其競(jìng)選半徑內(nèi)維護(hù)一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)列表，列表中的任一節(jié)點(diǎn)i滿足以下兩個(gè)條件：

(1)節(jié)點(diǎn)i為候選簇首節(jié)點(diǎn)；

(2)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)n的距離小于各自競(jìng)選半徑的最大值。

之后，將候選簇首節(jié)點(diǎn)和其鄰居節(jié)點(diǎn)列表中的節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行排序，選擇剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)作為最終的簇首節(jié)點(diǎn)，同時(shí)競(jìng)選半徑內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)不再參與簇首選舉過(guò)程。

2.2 簇建立

在完成簇首節(jié)點(diǎn)的選舉任務(wù)之后，喚醒網(wǎng)絡(luò)中處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)(也即非候選簇首節(jié)點(diǎn))。選出的每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域廣播邀請(qǐng)成員消息。網(wǎng)絡(luò)中的非簇首節(jié)點(diǎn)選擇距離最近且接收信號(hào)強(qiáng)度最大的簇首節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送加入簇的消息給該簇首節(jié)點(diǎn)，直到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都加入簇首節(jié)點(diǎn)所在的簇內(nèi)，完成簇的建立任務(wù)。

2.3 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分組

按照EEUC的建簇思想，建立的簇是不均勻的，越靠近基站的簇的規(guī)模越小，越遠(yuǎn)離基站的簇的規(guī)模越大。這樣做的目標(biāo)在于均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，因?yàn)榫嚯x基站越近的簇首節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)的概率越大，需要執(zhí)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)越多，簇首節(jié)點(diǎn)的能耗也就越大。因此可以通過(guò)降低這些簇的規(guī)模來(lái)減少簇內(nèi)數(shù)據(jù)接收和融合的能耗。而距離基站越遠(yuǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)的概率越小，其主要能耗在于執(zhí)行簇內(nèi)的數(shù)據(jù)接收和融合，因此可以設(shè)計(jì)較大規(guī)模的簇。這樣，當(dāng)簇的規(guī)模較大時(shí)，簇首節(jié)點(diǎn)接收大量簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合的能耗很大。為了均衡大規(guī)模簇的節(jié)點(diǎn)能耗，本文在規(guī)模較大的簇內(nèi)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分組。簇內(nèi)的分組中心節(jié)點(diǎn)分擔(dān)了部分?jǐn)?shù)據(jù)接收和融合任務(wù)，簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收和融合任務(wù)得以大幅降低，能耗也隨之下降，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗更加均衡。而且，簇首節(jié)點(diǎn)只對(duì)簇內(nèi)各分組的中心節(jié)點(diǎn)采用TDMA策略分配時(shí)隙，由于分組中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)小于原來(lái)的簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量，而分組中的數(shù)據(jù)通信在一跳通信范圍內(nèi)，整體的數(shù)據(jù)傳輸能耗也得以降低。

如上所述，本文只對(duì)規(guī)模較大的簇進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分組，因此在執(zhí)行節(jié)點(diǎn)分組之前需要判斷簇的規(guī)模。由式(7)可知，簇首節(jié)點(diǎn)的競(jìng)選半徑與簇首節(jié)點(diǎn)到基站的距離成反比，也即競(jìng)選半徑越大，說(shuō)明簇首節(jié)點(diǎn)離基站越遠(yuǎn)。由EEUC的設(shè)計(jì)規(guī)則知，離基站越遠(yuǎn)的簇的規(guī)模越大。這樣，競(jìng)選半徑越大，簇的規(guī)模越大。因此，本文依據(jù)競(jìng)選半徑來(lái)度量簇的規(guī)模。由式(7)可知，競(jìng)選半徑的范圍為1-cRmax,Rmax，本文取黃金分割點(diǎn)處的半徑值作為閾值TR，即

TR=1-cRmax+0.618Rmax-1-cRmax=
1-0.382cRmax

(8)

在進(jìn)行簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分組之前，先判斷簇首節(jié)點(diǎn)的競(jìng)選半徑是否大于閾值TR，是則啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)分組任務(wù)，否則不啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)分組任務(wù)。節(jié)點(diǎn)分組的偽代碼見表1。

表1 節(jié)點(diǎn)分組偽代碼

其中，Φ表示空集。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸包括兩個(gè)部分，一是簇內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，由簇首節(jié)點(diǎn)收集各傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)；二是簇間的數(shù)據(jù)傳輸，由簇首節(jié)點(diǎn)選擇中繼簇首節(jié)點(diǎn)，通過(guò)多跳通信將數(shù)據(jù)傳輸給基站。本文的簇間數(shù)據(jù)傳輸方式與EEUC機(jī)制相同，這里不再贅述。而簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸與EEUC機(jī)制有所差異。本文將簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸分為兩種模式：一種是沒(méi)有包含節(jié)點(diǎn)分組的簇的簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸模式，一種是包含節(jié)點(diǎn)分組的簇的簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸模式。前一種簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸模式和EEUC機(jī)制相同，而后一種簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸模式和EEUC機(jī)制是有差異的，具體表現(xiàn)在：EEUC機(jī)制中每一個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)在簇首節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙內(nèi)與簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，將傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給簇首節(jié)點(diǎn)；而本文機(jī)制中每一個(gè)分組中心節(jié)點(diǎn)在簇首節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙內(nèi)與簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，將分組內(nèi)所有傳感器采集的數(shù)據(jù)融合后轉(zhuǎn)發(fā)給簇首節(jié)點(diǎn)。這樣可以均衡大規(guī)模簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用Matlab 2012版本的軟件平臺(tái)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，參數(shù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

下面將本文聚類機(jī)制與傳統(tǒng)EEUC機(jī)制以及文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制進(jìn)行對(duì)比分析，從簇首節(jié)點(diǎn)能耗、網(wǎng)絡(luò)剩余能量和網(wǎng)絡(luò)生命周期3個(gè)方面評(píng)測(cè)3種聚類機(jī)制的性能，詳細(xì)描述如下。

3.1 簇首節(jié)點(diǎn)能耗

對(duì)于聚類協(xié)議而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)簇的簇首節(jié)點(diǎn)的能耗是最大的。因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)要負(fù)責(zé)簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集、融合和傳輸任務(wù)，而且部分簇首節(jié)點(diǎn)還要作為中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)離基站的簇首節(jié)點(diǎn)的中繼通信。因此，降低簇首節(jié)點(diǎn)的能耗對(duì)于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期具有重要作用。本小節(jié)對(duì)簇首節(jié)點(diǎn)的能耗進(jìn)行對(duì)比分析，隨機(jī)抽取十輪的簇首節(jié)點(diǎn)總能耗結(jié)果，如圖1所示。可見，文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制的簇首節(jié)點(diǎn)總能耗總體上略低于EEUC機(jī)制，但在某些輪(如圖1中的第3輪、第5輪和第6輪)的簇首節(jié)點(diǎn)總能耗略高于EEUC機(jī)制。而本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制在每一輪的簇首節(jié)點(diǎn)總能耗都低于傳統(tǒng)EEUC機(jī)制和文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制?？傮w上，傳統(tǒng)EEUC機(jī)制、文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制以及本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制的簇首節(jié)點(diǎn)總能耗的十輪平均值分別為1.3340、1.3150和1.2320，可見，總體上本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制的簇首節(jié)點(diǎn)總能耗的十輪平均值相對(duì)傳統(tǒng)EEUC機(jī)制、文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制分別下降7.6%和6.3%。這主要?dú)w功于本文的節(jié)點(diǎn)分組策略，將規(guī)模較大的簇的簇首節(jié)點(diǎn)的能耗分?jǐn)偟酱貎?nèi)分組的中心節(jié)點(diǎn)身上，從而降低了簇首節(jié)點(diǎn)的能耗。

圖1 簇首節(jié)點(diǎn)能耗對(duì)比

3.2 網(wǎng)絡(luò)剩余能量

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量相關(guān)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量為0時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最長(zhǎng)生命周期，也即網(wǎng)絡(luò)消亡。本小節(jié)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的剩余能量進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)下所有節(jié)點(diǎn)的總能量為200 J。節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸過(guò)程中都會(huì)耗費(fèi)能量，網(wǎng)絡(luò)的剩余能量隨著輪數(shù)的增加一直在下降。由圖2可見，傳統(tǒng)EEUC機(jī)制在第787輪耗盡網(wǎng)絡(luò)能量，文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制在第862輪耗盡網(wǎng)絡(luò)能量，而本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制在第1033輪耗盡網(wǎng)絡(luò)能量，這也說(shuō)明了改進(jìn)的EEUC機(jī)制的能耗更均衡，其原因主要是本文的節(jié)點(diǎn)分組策略均衡了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能耗。

圖2 網(wǎng)絡(luò)剩余能量對(duì)比

3.3 網(wǎng)絡(luò)生命周期

網(wǎng)絡(luò)生命周期是評(píng)價(jià)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議優(yōu)劣的重要指標(biāo)，當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都消亡之后，網(wǎng)絡(luò)也隨之消亡，網(wǎng)絡(luò)的生命周期達(dá)到最大。因此，可以通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的消亡情況來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)的生命周期。圖3展示了3種聚類機(jī)制下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨測(cè)試輪數(shù)的變化曲線。初始狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)為400。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量消耗完畢之后，節(jié)點(diǎn)隨之消亡。由圖3可見，傳統(tǒng)EEUC機(jī)制在第694輪開始出現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)消亡的現(xiàn)象，在第787輪網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)全部消亡；文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制在第773輪開始出現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)消亡的現(xiàn)象，在第862輪網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)全部消亡；而本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制在第989輪開始出現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)消亡的現(xiàn)象，在第1033輪網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)全部消亡?？梢?，本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)生命周期最長(zhǎng)。而且，本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制的傳感器節(jié)點(diǎn)消亡曲線最陡峭，這也說(shuō)明本文改進(jìn)EEUC機(jī)制的節(jié)點(diǎn)能耗更均衡。另外，本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制的傳感器節(jié)點(diǎn)的最早消亡時(shí)間要晚于傳統(tǒng)EEUC機(jī)制和文獻(xiàn)[13]改進(jìn)的EEUC機(jī)制，這除了是因?yàn)楸疚耐ㄟ^(guò)節(jié)點(diǎn)分組降低了簇首節(jié)點(diǎn)的能耗之外，還由于本文在簇首選舉階段改進(jìn)了門限函數(shù)，通過(guò)引入能量項(xiàng)和距離項(xiàng)，促使候選簇首節(jié)點(diǎn)偏向選擇離基站更近和剩余能量更多的節(jié)點(diǎn)，這樣也有助于避免將剩余能量偏低或者擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)后能耗偏大的節(jié)點(diǎn)作為候選簇首節(jié)點(diǎn)，從而避免這些節(jié)點(diǎn)過(guò)早消亡。

圖3 網(wǎng)絡(luò)生命周期對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

管理節(jié)點(diǎn)能量是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究課題之一。EEUC機(jī)制的非均勻分簇思想在高效利用傳感器節(jié)點(diǎn)能量方面取得了有益成果，是學(xué)者們研究的主要方向之一。本文針對(duì)EEUC機(jī)制所存在的大規(guī)模簇的能量不均衡問(wèn)題，提出了兩種改進(jìn)策略。一是在候選簇頭選擇的門限函數(shù)構(gòu)建時(shí)引入能量項(xiàng)和距離項(xiàng)，保證剩余能量越大、距離基站越近、擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)次數(shù)少的節(jié)點(diǎn)越有機(jī)會(huì)成為候選簇首節(jié)點(diǎn)；二是對(duì)大規(guī)模簇進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分組，由分組的中心節(jié)點(diǎn)分擔(dān)簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)組內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)的收集和融合任務(wù)，均衡簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文改進(jìn)的EEUC機(jī)制降低了簇首節(jié)點(diǎn)能耗，延緩了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。