孟德智

摘要：為有效地均衡網絡能耗，延長網絡生命周期，提出一種虛擬分區(qū)自適應分簇路由優(yōu)化算法。該算法將監(jiān)測區(qū)域進行多六邊形劃分，再利用虛擬力和位置優(yōu)化簇頭選舉，最終形成可自適應選舉簇頭的多跳無線傳感器網絡。仿真實驗表明，此算法在降低能耗和延長網絡壽命方面，均優(yōu)于CRVB、IHCRA算法。

關鍵詞：WSN;虛擬分區(qū);六邊形劃分;能耗均衡

中圖分類號：TP393.3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0006-Oc

開放科學（資源服務）標識碼（0SID）：

1 引言

無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）是一種自組織網絡，具有廣泛應用。但固定能量制約其發(fā)展，如何優(yōu)化路由協(xié)議、降低能耗成為WSN熱門研究領域[1-2]。

分簇路由協(xié)議能夠延緩能量消耗，優(yōu)質傳輸路徑的質量往往正向影響網絡的生命周期[3-4]。文獻[5]通過最優(yōu)格距組織成簇，減少通信時延和能耗，但采用正方形聚類，簇間通信能耗大，節(jié)點覆蓋冗余高。文獻[6]采用六邊形聚類方法，將角度引入新簇頭概率選取公式，保證CH均勻分布，取得不錯效果。

綜合上述文獻，本文提出基于虛擬蜂窩分區(qū)的路由算法HCARA（Hexagonal Clustering Adaptive Routing Algorithm），蜂窩虛擬分區(qū)保證網絡可拓展性和抑制節(jié)點冗余覆蓋的產生。競選CH引入“虛擬力”和地理位置適應因子，并自適應更換CH結點，推遲節(jié)點死亡時間，延長網絡生存周期。

2 相關工作

2.1 能耗模型

2.2 網絡模型

傳統(tǒng)分簇路由算法多是采用圓形聚類，其中圓形簇團只有互相堆疊才能避免檢測黑洞。而六邊形簇團彼此相切，且簇團中心到任一相鄰簇團的距離相等，說明蜂窩分簇相覆蓋性更好。

3 HCARA路由算法

3.1虛擬分區(qū)

HCARA算法中建立如圖2所示虛擬分區(qū)。其網絡模型如下所示：

簇團由大量低功耗、限定能源傳感器節(jié)點組成，節(jié)點具有唯-ID和定位功能，根據位置可知所屬簇團C-ID （Cluster-ID）。SINK節(jié)點所處第1簇團，其他依次為Ⅱ、Ⅲ層。如此分區(qū)不僅減少成簇復雜度，且維持CH分布較均勻。

3.2 CH選舉

首輪CH選舉階段，節(jié)點發(fā)送自身信息到臨近節(jié)點，信息包括剩余能量、ID、和C-ID。節(jié)點只記錄相同C-ID節(jié)點信息。確定同簇節(jié)點后開始競爭CH，因初始能量相同，根據定位算法選近簇中心節(jié)點為首輪CH并廣播，其余節(jié)點退出競爭，首輪競選結束。CH能量小于競選時平均能量Eave70%時申請重新競選，下一輪競選開始。此時節(jié)點能量不同，采用式（2）計算競選概率：

4 仿真結果與分析

為驗證HCARA算法有效性，文本通過MATLAB仿真平臺與IHCRA算法和CRVB算法進行實驗，其中分別就總能耗和剩余節(jié)點數進行比較。相關參數設置如表1所示：

網絡運行是以節(jié)點正常工作為基礎，剩余能量應占更大比重，取α1=0.7、α2=0.3。

網絡存活節(jié)點是指網絡運行至某時刻存活節(jié)點的數量。圖3中CRVB算法最早出現節(jié)點死亡，IHCRA和HCARA則相對較晚。600s后HCARA在存活結點數方面始終占優(yōu)。說明HCARA算法能實現均衡節(jié)點負載和延長網絡壽命。

網絡剩余能量是指某時刻網絡總能量剩余情況。圖4中200s左右網絡能耗增加，所有算法剩余能量均快速下降;400-800s時CRVB算法能量消耗最快，而IHCRA和HCARA能耗曲線則相對平緩;1200S時剩余能量依次為36%，42%和44%。說明HCARA算法將虛擬蜂窩分區(qū)和新競選概率公式結合，在均衡能耗和提高能量利用率方面效果更好。

5 結束語

文本提出蜂窩分簇的多跳路由算法。算法首先采用虛擬蜂窩分區(qū)，并在競爭簇首時引入虛擬力和位置因素競選簇首，并設置一定閾值自適應更換CH。仿真實驗結果顯示出：相比于IHCRA算法和CRVB算法，本文提出的基于蜂窩分區(qū)的路由算法在提高能量利用率，延長了網絡生存周期方面，效果較好。

參考文獻：

[1]馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網絡綜述[J].通信學報，2004，25（4）：114-124.

[2]李建中，高宏.無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展，2008（1）：1-15.

[3]王繼紅，石文孝.認知無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議綜述[Jl.通信學報，2018，39（11）：156-169.

[4]張文梅，廖福保，改進的無線傳感器網絡非均勻分簇路由算法[Jl，傳感技術學報，2015，28（5）：739-743.

[5]朱敏，肖震，劉吳霖，高弘博.WSN中基于虛擬網格的分簇路由算法[J].四川大學學報（工程科學版），2012，44（5）：143-148.

[6]余修武，胡沐芳，劉琴，劉永.基于蜂窩虛擬網格的WSN混合多跳分簇路由算法[J].傳感技術學報，2018，31（10）：1573-1577.

【通聯(lián)編輯：梁書】