王飛飛 胡海峰

摘要：在對現(xiàn)有分簇路由協(xié)議進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的能量有效的分簇路由協(xié)議EECRP，該協(xié)議從簇首選舉、簇的形成以及數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)建簇間路由三方面進(jìn)行改進(jìn)?；诠?jié)點當(dāng)前剩余能量與節(jié)點間的相對位置選擇簇首，普通節(jié)點根據(jù)簇首發(fā)出的信號強(qiáng)度選擇合適的簇加入成簇，數(shù)據(jù)傳輸時將節(jié)點當(dāng)前能量與最小跳數(shù)思想結(jié)合起來，形成能耗小的簇間路由。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議可以有效地均衡節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇；能量有效；最小跳數(shù)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）32-0049-02

1 引言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的能量是影響網(wǎng)絡(luò)運行的重要因素，在對WSN的諸多研究中，節(jié)點的能耗問題一直是研究的重點，如何有效地利用節(jié)點、降低節(jié)點能耗是研究的關(guān)鍵所在，其中節(jié)能分簇路由協(xié)議的研究與改進(jìn)是一個重要方向。在已有的分簇路由協(xié)議中，最早提出的是LEACH[1]協(xié)議，與傳統(tǒng)的靜態(tài)分簇協(xié)議和多跳路由協(xié)議相比，提高了數(shù)據(jù)發(fā)送效率和網(wǎng)絡(luò)壽命，但是由于隨機(jī)選擇簇首、一跳通信等缺陷導(dǎo)致擴(kuò)展性較差。而HEED [2]通過節(jié)點間交互動態(tài)并在考慮節(jié)點剩余能量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生簇首，改進(jìn)了成簇速度與簇首在網(wǎng)絡(luò)中的分布狀況，但是HEED簇首產(chǎn)生時需要在簇半徑內(nèi)進(jìn)行多次消息迭代，通信開銷比較大，同時兩種協(xié)議均未考慮簇首節(jié)點冗余覆蓋問題，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)生成的簇首可能較多。通過對經(jīng)典協(xié)議與近期的研究分析[3-5]，本文提出了一種新的路由協(xié)議EECRP，該協(xié)議綜合考慮節(jié)點的當(dāng)前剩余能量與節(jié)點間的位置產(chǎn)生簇首，成簇時依據(jù)簇首能量與節(jié)點到簇首的距離，路由構(gòu)建傳輸數(shù)據(jù)時引入最小跳數(shù)路由思想。該協(xié)議可以均衡節(jié)點能耗，減少數(shù)據(jù)傳輸時延。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

在實際網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，為了避免出現(xiàn)獨立簇首，實際半徑r應(yīng)大于理想半徑，可確定為r=c*R（c>1），簇首選擇開始，匯聚節(jié)點發(fā)送廣播信息，信息中攜帶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的平均能量EA，如果某節(jié)點當(dāng)前能量ER大于平均能量EA，則根據(jù)ER為其確定一計時器，原則為ER大的節(jié)點該值較小，節(jié)點開始倒計時，所有節(jié)點均標(biāo)識為候選簇首狀態(tài)1。以節(jié)點S為例，其倒計時結(jié)束前收到其他簇首的信息則直接停止計時，其狀態(tài)由1改為普通節(jié)點狀態(tài)0，如果倒計時正常結(jié)束則設(shè)置其標(biāo)識為2（簇首），簇首選擇成功后，以實際半徑r為發(fā)射功率發(fā)送包含節(jié)點ID與標(biāo)識的廣播消息。

簇首發(fā)出攜帶ID與標(biāo)識的廣播信息后，該區(qū)域內(nèi)的普通節(jié)點可能收到來自多個簇首的信號，節(jié)點根據(jù)信號強(qiáng)度計算自己到各簇首的近似距離，由于當(dāng)選為簇首的節(jié)點其剩余能量大于全網(wǎng)節(jié)點平均能量，因此直接選擇距離自己最近的簇首發(fā)送請求加入信息MSG，此消息包括節(jié)點的ID和選擇加入的簇首ID，簇首根據(jù)接收的MSG進(jìn)行成員節(jié)點統(tǒng)計，并為每個簇內(nèi)成員分配時隙信息，并在其中加入對節(jié)點請求信息的確認(rèn)。如果超出時間限制未收到任何信息，則重新選擇簇加入。

3.2簇間路由構(gòu)建

構(gòu)建用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇亻g路由時，將最小跳數(shù)路由與MTE算法相結(jié)合，首先獲取簇首節(jié)點到匯聚節(jié)點的最小跳數(shù)與其相鄰的簇首集合，然后確定候選中轉(zhuǎn)路由簇首。

只有當(dāng)[d2（Si，Sj）+d2（Sj，Sink）]< [d2（Si，Sink）]時，才能真正減輕能耗，鄰簇首節(jié)點集合確定后，需要在其中選擇候選路由簇首。首先匯聚節(jié)點以臨界值86.2廣播消息，其中包括跳數(shù)NHop，初始值為0，簇首CHM接收到該消息后，執(zhí)行CHMNHop=CHMNHop+1，并將Sink節(jié)點加入其鄰簇首集合CHM.NCH，然后CHM以臨界值繼續(xù)發(fā)送包括其ID、NHop以及剩余能量的廣播信息。簇首CHN接收到信息后，將兩個節(jié)點的跳數(shù)值進(jìn)行比較，如果CHN的跳數(shù)小于CNM的跳數(shù)加1，則CHN的跳數(shù)保持不變，其鄰簇首集合不更新；否則CHN的跳數(shù)為CHMNHop加1，且在CHN的鄰簇首集合中加入CNM。在具體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，每個簇首節(jié)點在其鄰簇首集合中選取當(dāng)前剩余能量最大的節(jié)點作為中轉(zhuǎn)節(jié)點，該方式可以減少時延、均衡節(jié)點能耗。

4協(xié)議仿真及分析

4.1 仿真說明

本文采用OMNeT++平臺對EECRP與LEACH、HEED三種協(xié)議進(jìn)行仿真分析。假定有400個節(jié)點，隨機(jī)部署在（x=0，y=0）至（x=200，y=200）的區(qū)域內(nèi)，具體參數(shù)數(shù)值如表1：

4.2 仿真結(jié)果分析

該協(xié)議中，實際半徑r=c*R，c為大于1的值。由圖1可知，c的取值范圍在1.0與2.0之間時，第一個節(jié)點死亡時間先上升后下降，在1.6時第一個節(jié)點死亡時間最晚，因此c取值為1.6。

圖2為三種協(xié)議的節(jié)點個數(shù)隨時間輪次的變化圖，圖中可知EECRP的第一個節(jié)點與最后一個節(jié)點死亡時間差最小，且能量耗盡的時間較晚，因此該協(xié)議可以較好地均衡全網(wǎng)節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

5結(jié)束語

本文在對分簇路由協(xié)議進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，形成一種改進(jìn)的分簇路由協(xié)議。該協(xié)議選擇簇首與成簇時考慮到節(jié)點的剩余能量與節(jié)點間的相對距離，使剩余能量多的節(jié)點優(yōu)先成為簇首，普通節(jié)點選擇距離自己較近的簇首加入成簇，可以減少數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量，簇間路由構(gòu)建時借鑒了最小跳數(shù)路由算法思想，能夠選擇合適的簇首作為中轉(zhuǎn)路由節(jié)點，可以有效地均衡能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

參考文獻(xiàn)：

[1] HeinzelmanW， Chandrakasan A， Balakrishnan H. An Application Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2002， 1 （4）： 660-670.

[2] Younis O，F(xiàn)ahmy S.Heed：A hybrid，energy-efficient，distributed clustering approach for ad-hoc sensor networks[J].IEEE Trans.on Mobile Computing，2004，3（4）：660-669.

[3] 李新春，高佰勝.基于最優(yōu)簇數(shù)和改進(jìn)引力搜索的 WSN 路由算法[J].計算機(jī)應(yīng)有，2017，37（12）： 3374-3380.

[4] 徐晶晶，張欣慧，許必宵，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法綜述[J].計算機(jī)科學(xué)，2017，44（2）：31-37.

[5] 馬 禮，朱大文，馬東超，傅穎勛，張永梅.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量感知路由協(xié)議[J].計算機(jī)工程，2017，43（12）：124-129.

[6] W.R. Heinzelman， A. P. Chandrakasan， H. Balakrishnan. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks. IEEE Trans. on Wireless Communications， 2002， 1（4）： 660-670.

【通聯(lián)編輯：光文玲】