王義勇, 汪 毅

(1.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字信息技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引 言

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)[1-3]中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用自身攜帶的電池供電，且電池不易更換或者充電，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是有限的。如果傳感器的能量耗盡，則該傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)失效，導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。傳感器節(jié)點(diǎn)失效越多，傳感器網(wǎng)絡(luò)癱瘓?jiān)娇臁Ｒ虼?，需要研究傳感器?jié)能技術(shù)，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間[4-6]。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，其能耗主要來(lái)源于傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊。為了降低傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能耗，通常采用的技術(shù)手段是設(shè)計(jì)分簇路由協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)聚類成若干個(gè)節(jié)點(diǎn)簇，每一個(gè)簇選擇一個(gè)簇頭，由簇頭節(jié)點(diǎn)收集簇中其它節(jié)點(diǎn)的信息，與基站進(jìn)行通信交互，這樣簇中其它節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間可以關(guān)閉無(wú)線通信模塊，從而降低了這些節(jié)點(diǎn)的能耗，總體上降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間[7-14]。學(xué)者們[12]針對(duì)這些問(wèn)題提出了許多有意義的改進(jìn)聚類協(xié)議，如文獻(xiàn)[13]提出了一種聚類區(qū)域自適應(yīng)調(diào)整的聚類協(xié)議，主要改進(jìn)在于引入了節(jié)點(diǎn)的剩余能量參量，選擇剩余能量大的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，避免簇頭節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效。文獻(xiàn)[14]類似，也是通過(guò)引入能量參量來(lái)均衡節(jié)點(diǎn)能耗。然而，這類聚類協(xié)議仍然采用隨機(jī)方式建立節(jié)點(diǎn)簇，存在節(jié)點(diǎn)簇規(guī)模差異大的問(wèn)題，而且選擇簇頭時(shí)沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)是否可信，容易因?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)失敗率高而過(guò)多消耗能量。針對(duì)這些問(wèn)題，本文在文獻(xiàn)[13]所述聚類協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種簇規(guī)模約束與簇頭最優(yōu)化選擇的聚類協(xié)議，主要思想是在節(jié)點(diǎn)簇建立階段引入規(guī)模約束，通過(guò)固定閾值法創(chuàng)建規(guī)?；疽恢碌墓?jié)點(diǎn)簇。同時(shí)在簇頭選擇時(shí)引入節(jié)點(diǎn)的信任度參量，并依據(jù)最優(yōu)化理論設(shè)計(jì)簇頭節(jié)點(diǎn)選擇的目標(biāo)函數(shù)，選擇最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。另外還增加簇頭節(jié)點(diǎn)回收步驟，對(duì)剩余能量和信任度低于設(shè)定閾值的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回收，避免節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，目標(biāo)是解決現(xiàn)有聚類協(xié)議存在的簇頭分布不均勻、負(fù)載不均衡、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間短的問(wèn)題。

1 本文聚類協(xié)議

本文為了解決現(xiàn)有聚類協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用中存在的簇頭分布不均勻、負(fù)載不均衡、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間短的問(wèn)題，提出一種簇規(guī)模約束與簇頭最優(yōu)化選擇的聚類協(xié)議。本文所述聚類協(xié)議主要包括3個(gè)階段，分別是節(jié)點(diǎn)簇劃分、簇頭節(jié)點(diǎn)選擇和簇頭節(jié)點(diǎn)回收。由基站監(jiān)測(cè)簇頭節(jié)點(diǎn)能量和信任度，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)能量下降到能量閾值之下，或者簇頭節(jié)點(diǎn)的信任度下降到信任度閾值之下時(shí)，回收該簇頭節(jié)點(diǎn)。在介紹本文協(xié)議之前，首先給出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用假設(shè)條件：

(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)基站，且基站的能量是無(wú)限的；

(2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)是固定的且初始能量相同；

(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其位置信息；

(4)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為簇頭或簇成員；

(5)簇成員節(jié)點(diǎn)可以直接將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)；

(6)簇頭節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)其它簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站。

1.1 節(jié)點(diǎn)簇劃分

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)聚類而言，如果聚類簇過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致簇?cái)?shù)量過(guò)大，引起網(wǎng)絡(luò)擁堵，進(jìn)而增加通信開(kāi)銷。如果聚類簇過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)的通信任務(wù)過(guò)大，從而增加網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。文獻(xiàn)[12,13]所述的聚類協(xié)議采用隨機(jī)聚類的方式劃分節(jié)點(diǎn)簇，容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)簇的規(guī)模差異大，引發(fā)節(jié)點(diǎn)簇之間負(fù)載不均衡、能量消耗大的問(wèn)題。因此，本文在建立簇時(shí)對(duì)簇的規(guī)模進(jìn)行約束，按照空間分布構(gòu)建規(guī)模近似的節(jié)點(diǎn)簇。具體思路是：引入一個(gè)固定閾值N，在建立節(jié)點(diǎn)簇時(shí)，任選一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以半徑R畫(huà)一個(gè)圓，如果圓內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不小于N，則將該圓內(nèi)的節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)簇。否則，增加圓的半徑，直至圓內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不小于N。節(jié)點(diǎn)簇構(gòu)建的偽代碼見(jiàn)表1。其中，閾值N、初始半徑R0和半徑步長(zhǎng)△R是事先設(shè)置的參數(shù)，具體在實(shí)驗(yàn)部分討論。按照表1的節(jié)點(diǎn)簇創(chuàng)建流程，依次對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，每一次劃分都得到一個(gè)節(jié)點(diǎn)簇，然后對(duì)剩余的節(jié)點(diǎn)集合繼續(xù)進(jìn)行劃分，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都分配到節(jié)點(diǎn)簇中。也可以規(guī)定節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量，如果劃分的節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量與規(guī)定的節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量不一致，則重新開(kāi)始節(jié)點(diǎn)簇劃分過(guò)程，利用初始節(jié)點(diǎn)選擇的隨機(jī)性更新節(jié)點(diǎn)簇，直至節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量達(dá)到規(guī)定數(shù)量。本文在隨機(jī)劃分節(jié)點(diǎn)簇的基礎(chǔ)上引入規(guī)模約束，對(duì)于均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很有意義。

表1 節(jié)點(diǎn)簇構(gòu)建偽代碼

1.2 簇頭節(jié)點(diǎn)選擇

簇頭的選擇是一個(gè)最優(yōu)化過(guò)程，需要從節(jié)點(diǎn)簇的所有節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)最適合的節(jié)點(diǎn)來(lái)?yè)?dān)任簇頭，選擇的依據(jù)需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)而定?？紤]到簇頭需要擔(dān)負(fù)簇成員節(jié)點(diǎn)與基站之間的通信橋梁任務(wù)，簇頭節(jié)點(diǎn)的通信遠(yuǎn)比簇成員節(jié)點(diǎn)頻繁。文獻(xiàn)[12]采用輪轉(zhuǎn)法選擇簇頭，節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭的頻率越低，越有機(jī)會(huì)被選為簇頭，這樣節(jié)點(diǎn)可以輪流擔(dān)任簇頭，維護(hù)通信過(guò)程中的能量均衡。該方法定義了一個(gè)門限函數(shù)，為

(1)

在每一輪選擇時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，與門限函數(shù)進(jìn)行比較，如果小于門限函數(shù)，則被選為簇頭節(jié)點(diǎn)。

該聚類協(xié)議采用隨機(jī)方式選擇簇頭，容易出現(xiàn)簇頭分布不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)簇規(guī)模差異大，進(jìn)而導(dǎo)致不同節(jié)點(diǎn)簇之間負(fù)載不均勻的現(xiàn)象。而且該聚類協(xié)議沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，可能出現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)剩余能量不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間短，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，引起網(wǎng)絡(luò)能耗不均衡現(xiàn)象和降低網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

為了解決文獻(xiàn)[12]所述聚類協(xié)議的不足，文獻(xiàn)[12,13]的基礎(chǔ)上，引入了能量參量，在選擇簇頭時(shí)除了要考慮節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭的頻率之外，還需要考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，因?yàn)榇仡^所需要消耗的能量遠(yuǎn)大于簇成員節(jié)點(diǎn)。因此文獻(xiàn)[13]選擇剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。文獻(xiàn)[12,13]中的門限函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，為

(2)

然而，文獻(xiàn)[13]所述聚類協(xié)議選擇的簇頭仍然具有隨機(jī)性，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)簇的規(guī)模差異大，引發(fā)負(fù)載不均勻現(xiàn)象。而且文獻(xiàn)[12,13]在選擇簇頭時(shí)都沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)是否可信。然而，簇頭節(jié)點(diǎn)需要管理簇成員節(jié)點(diǎn)的所有通信活動(dòng)，因此簇頭節(jié)點(diǎn)必須是值得信任的節(jié)點(diǎn)，這樣可以提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的成功率，降低簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗。基于這一思想，本文在文獻(xiàn)[13]所述聚類協(xié)議的基礎(chǔ)上，引入節(jié)點(diǎn)的信任度參量，作為簇頭選擇的依據(jù)，目標(biāo)是選擇最值得信賴的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。另外，本文在上一小節(jié)提出了規(guī)模約束的節(jié)點(diǎn)簇劃分方法，可以解決節(jié)點(diǎn)簇規(guī)模差異大的問(wèn)題。由于本文在選擇簇頭時(shí)節(jié)點(diǎn)簇是已經(jīng)劃分好的，因此不需要像文獻(xiàn)[12,13]那樣，設(shè)計(jì)一個(gè)門限函數(shù)，將每輪選擇中小于門限函數(shù)的所有節(jié)點(diǎn)都作為簇頭。本文將簇頭的選擇看作一個(gè)最優(yōu)化過(guò)程，融合前述的簇頭選擇策略和節(jié)點(diǎn)信任度度量，構(gòu)建一個(gè)簇頭選擇目標(biāo)函數(shù)，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)簇中，選擇一個(gè)使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大值的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。下面首先介紹信任度的計(jì)算方法，然后給出目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)方式。

信任度通常是基于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的行為計(jì)算的。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)包之后會(huì)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點(diǎn)，由于網(wǎng)絡(luò)中可能存在惡意節(jié)點(diǎn)或者失效節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。丟包現(xiàn)象越頻繁，節(jié)點(diǎn)的信任度越低。因此可以基于數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)頻率來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信任度參量。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)簇中任意節(jié)點(diǎn)p，其鄰居節(jié)點(diǎn)集合記為pii=1,2,…,Np，Np為鄰居節(jié)點(diǎn)集合中的元素?cái)?shù)量，也即節(jié)點(diǎn)p的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量。在時(shí)間段Δt(本文Δt=60 s)內(nèi)，監(jiān)聽(tīng)節(jié)點(diǎn)p是否轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)pi的數(shù)據(jù)包。假設(shè)，Mp,pi表示的是，在時(shí)間段Δt內(nèi)，該鄰居節(jié)點(diǎn)pi發(fā)送給節(jié)點(diǎn)p的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，Np,pi是在時(shí)間段Δt內(nèi)節(jié)點(diǎn)p成功轉(zhuǎn)發(fā)的來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)pi的數(shù)據(jù)包數(shù)量，于是節(jié)點(diǎn)p對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)pi的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)頻率可以表示為

(3)

數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)頻率fp,pi越大，說(shuō)明鄰居節(jié)點(diǎn)pi選擇節(jié)點(diǎn)p為其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性越強(qiáng)。因此，本文采用數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)頻率構(gòu)建節(jié)點(diǎn)的信任度參量。對(duì)于節(jié)點(diǎn)簇而言，節(jié)點(diǎn)p的信任度由其對(duì)所有鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)頻率的平均值來(lái)表示，為

(4)

信任度vp越大，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)p對(duì)節(jié)點(diǎn)簇中所有鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)頻率越高，這樣該節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)可以更可靠地管理簇成員節(jié)點(diǎn)的通信活動(dòng)。

為了兼顧節(jié)點(diǎn)的信任度、剩余能量以及節(jié)點(diǎn)作為簇頭的比例，本文設(shè)計(jì)的簇頭選擇的目標(biāo)函數(shù)為

(5)

簇頭節(jié)點(diǎn)選擇算法的偽代碼見(jiàn)表2。

表2 簇頭節(jié)點(diǎn)選擇偽代碼

按照表2的簇頭節(jié)點(diǎn)選擇流程，選出每一個(gè)簇的簇頭節(jié)點(diǎn)，由基站進(jìn)行聲明。

1.3 簇頭節(jié)點(diǎn)回收

由于簇頭節(jié)點(diǎn)需要管理簇成員節(jié)點(diǎn)的所有通信活動(dòng)，因此簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗非常大。簇頭節(jié)點(diǎn)必須有足夠的能量才能有效地執(zhí)行其所有任務(wù)。為了避免簇頭節(jié)點(diǎn)因能量消耗過(guò)大而失效，本文制定簇頭節(jié)點(diǎn)回收策略，對(duì)剩余能量過(guò)小的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回收。同時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?duì)信任度過(guò)小的簇頭節(jié)點(diǎn)也需要進(jìn)行回收。簇頭節(jié)點(diǎn)回收的偽代碼見(jiàn)表3。其中，Emin和vmin分別表示能量閾值和信任度閾值。在本文中，這兩個(gè)閾值取經(jīng)驗(yàn)值，分別為Emin=0.3Einit、vmin=0.3。

表3 簇頭節(jié)點(diǎn)回收偽代碼

本文通過(guò)對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回收，可以避免單個(gè)節(jié)點(diǎn)過(guò)載而提前失效，均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。同時(shí)防止惡意節(jié)點(diǎn)攻擊，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率，降低節(jié)點(diǎn)能耗。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為了便于對(duì)比，本文參考文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)見(jiàn)表4。其中，仿真計(jì)算機(jī)平臺(tái)性能為Intel I7 CPU、DDR3 16 G RAM，軟件平臺(tái)為Matlab 2012。

對(duì)于文獻(xiàn)[12,13]所述聚類協(xié)議，簇頭數(shù)目比例設(shè)置為5%，與文獻(xiàn)[13]設(shè)置一樣。對(duì)于本文而言，節(jié)點(diǎn)簇的劃分方式采用規(guī)模約束方式，相應(yīng)的參數(shù)有閾值N、初始半徑R0和半徑步長(zhǎng)△R，為了偏于對(duì)比，盡可能使得本文構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量與文獻(xiàn)[12,13]得到的節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量一致，因此本文設(shè)置參數(shù)N=18、R0=30、△R=1。按照該組參數(shù)劃分節(jié)點(diǎn)簇，得到的節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量為5，與文獻(xiàn)[12,13]得到的節(jié)點(diǎn)簇?cái)?shù)量相同。

表4 仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

與文獻(xiàn)[13]一樣，本文從負(fù)載均衡度、節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)能量3個(gè)分析進(jìn)行分析，對(duì)比文獻(xiàn)[12,13]和本文所述聚類協(xié)議的性能差異，詳細(xì)描述如下。

2.1 負(fù)載均衡度分析

圖1給出了3種聚類協(xié)議得到的節(jié)點(diǎn)簇中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量分布，可見(jiàn)，本文構(gòu)建的5個(gè)節(jié)點(diǎn)簇的規(guī)模基本一致，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量為22，最小節(jié)點(diǎn)數(shù)量為19。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建的5個(gè)節(jié)點(diǎn)簇的規(guī)模差異最大，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量為64，最小節(jié)點(diǎn)數(shù)量為4。文獻(xiàn)[13]構(gòu)建的5個(gè)節(jié)點(diǎn)簇的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量為26，最小節(jié)點(diǎn)數(shù)量為16。因此，本文聚類協(xié)議選擇的簇頭的負(fù)載分布最均衡。

圖1 負(fù)載均衡度對(duì)比

2.2 節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間分析

圖2展示了3種聚類協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的生成時(shí)間對(duì)比情況，文獻(xiàn)[12]聚類協(xié)議在第220 s開(kāi)始出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效現(xiàn)象，文獻(xiàn)[13]聚類協(xié)議在第310 s開(kāi)始出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效現(xiàn)象，本文聚類協(xié)議在第340 s開(kāi)始出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效現(xiàn)象，與文獻(xiàn)[12,13]所述聚類協(xié)議相比，本文聚類協(xié)議的節(jié)點(diǎn)失效時(shí)間分別推遲了55%和10%，這說(shuō)明本文聚類協(xié)議可以有效延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。另外，從圖中可以看出，文獻(xiàn)[12,13]和本文聚類協(xié)議的節(jié)點(diǎn)全部失效時(shí)間分別是580 s、690 s和760 s，很明顯本文聚類協(xié)議驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。究其原因，主要是因?yàn)楸疚木垲悈f(xié)議劃分的節(jié)點(diǎn)簇的規(guī)?；疽恢拢芎母?。本文聚類協(xié)議通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)回收，避免簇頭節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，進(jìn)而也延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

圖2 節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間對(duì)比

2.3 網(wǎng)絡(luò)能量分析

圖3展示了3種聚類協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗對(duì)比情況。其中，網(wǎng)絡(luò)中100個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量共計(jì)150 J。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)能耗不斷增大，文獻(xiàn)[12]聚類協(xié)議在580 s時(shí)耗盡全部能量，文獻(xiàn)[13]聚類協(xié)議在690 s時(shí)耗盡全部能量，而本文聚類協(xié)議在760 s時(shí)耗盡網(wǎng)絡(luò)能量。可見(jiàn)，本文聚類協(xié)議的能耗最低，而且，本文聚類協(xié)議的能耗曲線相對(duì)而言更加平緩，說(shuō)明本文聚類協(xié)議的能耗更均衡，可以更高效利用網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

圖3 網(wǎng)絡(luò)能耗對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)文獻(xiàn)[12,13]的聚類協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，主要改進(jìn)包括：①在節(jié)點(diǎn)簇建立階段，在隨機(jī)選擇的基礎(chǔ)上采用固定閾值法對(duì)節(jié)點(diǎn)簇規(guī)模進(jìn)行約束，保證建立的簇規(guī)?；疽恢?，均衡簇頭節(jié)點(diǎn)的負(fù)載；②在簇頭節(jié)點(diǎn)選擇階段，除了考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)作為簇頭的比例之外，還兼顧節(jié)點(diǎn)的信任度，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)失敗造成的能量消耗，同時(shí)采用最優(yōu)化理論，設(shè)計(jì)簇頭節(jié)點(diǎn)選擇目標(biāo)函數(shù)來(lái)代替門限函數(shù)，選擇最優(yōu)的簇頭；③在簇頭節(jié)點(diǎn)回收階段，對(duì)剩余能量和信任度低于閾值的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回收，避免簇頭節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與文獻(xiàn)[12,13]的聚類協(xié)議相比，改進(jìn)的聚類協(xié)議的簇頭分布更均勻，負(fù)載更均衡，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間更長(zhǎng)，而且網(wǎng)絡(luò)能量消耗也更慢。