王俊喜,陳桂芬

(長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引言

認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年的研究熱點(diǎn)，它的前身，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1 - 3]是由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，傳感器節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，密集地部署在所需區(qū)域監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)或感測(cè)特定數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)將它們感測(cè)到的數(shù)據(jù)以多跳或單跳的方式傳輸給一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)接收器。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是基于多種不同應(yīng)用環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)配備的是低成本的電池，節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器有限，處理能力低。而在大多數(shù)應(yīng)用中，更換電池或者為電池充電是不切實(shí)際的，所以很多節(jié)點(diǎn)會(huì)耗盡其自身能量導(dǎo)致部分網(wǎng)絡(luò)失去連接。因此，在設(shè)計(jì)高效率、長(zhǎng)壽命的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，擁有適配的高效節(jié)能路由算法是至關(guān)重要的[4 - 6]。

近年來，相關(guān)算法被陸續(xù)提出，文獻(xiàn)[7]提出了集中式節(jié)能距離CEED(Centralized Energy Efficient Distance)路由算法，旨在改善簇首CH(Cluster Head)的選擇和簇的形成。在CEED中，簇首CH的選擇基于剩余能量和每個(gè)節(jié)點(diǎn)到接收器的距離。在網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)形成中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都基于剩余能量和距離參數(shù)選擇其CH，然后和CH構(gòu)造一條鏈，用于將數(shù)據(jù)包以多跳方式傳輸?shù)浇邮掌鳌?/p>

文獻(xiàn)[8]提出了一種新的簇首選擇方案，所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)其自身剩余能量競(jìng)選成為簇首，形成簇結(jié)構(gòu)之后，剩余能量更高、距離匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)更近的簇首將成為其他簇首的數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[9]提出了一種能量感知的多跳多路徑路由EAMMH(Energy Aware Multi-hop Multi-path Hierarchical)算法，該算法通過引入能量感知和簇內(nèi)多跳功能來降低網(wǎng)絡(luò)總能耗。

文獻(xiàn)[10]提出了一種結(jié)合節(jié)點(diǎn)能耗因子改進(jìn)協(xié)議SEP(Stable Election Protocol)的EC-SEP(Energy Consumption-SEP)算法，該算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量不斷更新簇首選舉概率，以此來均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長(zhǎng)生命周期。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，其與ZigBee、WiFi和藍(lán)牙等共享頻段的方式導(dǎo)致頻譜資源的日益緊缺[11]。以上算法將不再契合未來發(fā)展需要，近幾年來，人們將能夠緩解頻譜資源緊缺問題的認(rèn)知無線電與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，提出了認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)CRSN(Cognitive Radio Sensor Network)這個(gè)熱點(diǎn)話題，適用于認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法成為目前研究方向[11]。

文獻(xiàn)[12]提出了一種適用于CRSN的低能耗自適應(yīng)非均勻分簇LEAUCH(Low Energy Adaptive Uneven Clustering Hierarchy)算法，其核心是應(yīng)用認(rèn)知無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并利用非均勻的簇首競(jìng)爭(zhēng)半徑均衡簇首能量消耗。

文獻(xiàn)[13]提出了一種改進(jìn)的能量有效閾值敏感傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議A-TEEN(Advanced Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)算法，將路由協(xié)議TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)應(yīng)用于CRSN，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)空閑信道數(shù)改進(jìn)了簇首選舉概率公式。

上述算法能夠應(yīng)用于CRSN，并能結(jié)合認(rèn)知能力緩解頻譜資源緊缺的現(xiàn)狀，但是其網(wǎng)絡(luò)能量消耗不夠均衡，認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)接收器靈敏度需求較高，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均為認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)的鋪設(shè)難度較大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目大、分布稠密、維護(hù)難度高，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間小、能量受限，節(jié)點(diǎn)開始工作后，除具備可移動(dòng)裝置的節(jié)點(diǎn)外普遍處于靜止?fàn)顟B(tài)?；诰W(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)研究設(shè)計(jì)路由算法并不斷推陳出新具有重要意義。

能量受限問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的主要瓶頸，能夠提高網(wǎng)絡(luò)能量的使用效率并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是路由算法的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)[14]，針對(duì)該目標(biāo)并結(jié)合緩解頻譜資源日益緊缺的問題，本文提出了一種應(yīng)用于異構(gòu)CRSN的能耗均衡多跳多路徑路由EMMCH(Energy-balanced Multi-hop Multi-path Cognitive Hierarchical)算法。

EMMCH算法為上述問題提供了解決方案，首先EMMCH算法適用于當(dāng)下研究熱點(diǎn)CRSN，能夠緩解頻譜資源日益緊缺的現(xiàn)狀；其次，算法采用了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，普通節(jié)點(diǎn)與認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信，降低了鋪設(shè)難度與鋪設(shè)成本；最后，算法著重考慮并提高了網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

對(duì)比仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與EAMMH算法[9]、LEAUCH算法[12]、EC-SEP[10]算法、結(jié)合認(rèn)知能力改進(jìn)SEP算法的CSEP(Cognitive-SEP)算法等相比，EMMCH算法具有更長(zhǎng)的生命周期、更高的穩(wěn)定性、更多的數(shù)據(jù)傳輸量和更均衡的網(wǎng)絡(luò)能耗。

2 網(wǎng)絡(luò)模型的建立

2.1 能量消耗模型

文獻(xiàn)[15]提供了一種經(jīng)典的無線傳輸能量消耗模型，根據(jù)傳輸距離d，該傳輸消耗模型分為2種，其一為自由空間模型，其二為多徑傳輸模型。能量計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

其中，k為節(jié)點(diǎn)發(fā)送字節(jié)數(shù)，d為數(shù)據(jù)傳輸距離，εfs為自由空間模型放大倍數(shù)，εmp為多徑傳輸模型放大倍數(shù)。Eelec為發(fā)送或者接收單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗。其中：

(2)

節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)消耗為：

ERx(k)=ERx-elec(k)=kEelec

(3)

其中,k為接收的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

以隨機(jī)的方式在規(guī)定區(qū)域內(nèi)部署若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)包括普通傳感器節(jié)點(diǎn)和認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)，認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)能夠感知節(jié)點(diǎn)空閑信道情況并動(dòng)態(tài)連接。普通傳感器節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立感知信息[16]。暫不考慮傳輸誤差，設(shè)定節(jié)點(diǎn)能量耗盡為節(jié)點(diǎn)死亡。為了避免其他因素的影響，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)性質(zhì)進(jìn)行以下設(shè)定：

(1)節(jié)點(diǎn)編號(hào)唯一且不發(fā)生改變，節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署，部署后不再移動(dòng)；

(2)匯聚節(jié)點(diǎn)能量無限、位置不變；

(3)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度感知距離、定位其自身位置；

(4)認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)均具有與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信的能力(即認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)均可成為簇首，能耗隨距離的增大而增加)；

(5)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)通信距離調(diào)節(jié)通信功率。

3 EMMCH算法

本文提出的EMMCH算法是一種異構(gòu)認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量感知多跳多路徑認(rèn)知分簇路由算法，認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)通過感知到的頻譜空閑信息，機(jī)會(huì)地接入空閑信道，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。算法通過多跳傳輸降低傳輸消耗。節(jié)點(diǎn)通過判別剩余能量、節(jié)點(diǎn)距離、節(jié)點(diǎn)密度及其頻譜能量等級(jí)判別是否成為候選簇首。擔(dān)任候選簇首的節(jié)點(diǎn)結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)半徑和頻譜能量等級(jí)判斷其頻譜能量等級(jí)在競(jìng)爭(zhēng)半徑范圍內(nèi)為最高后，宣布擔(dān)任簇首。其競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)的其余候選簇首退出競(jìng)選。距離匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)的簇首擁有越大的競(jìng)爭(zhēng)半徑，匯聚節(jié)點(diǎn)附近處可形成比較遠(yuǎn)處更多的簇，避免依據(jù)節(jié)點(diǎn)位置選擇簇首帶來的 “熱區(qū)”問題。

首先，在一定大小的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)鋪設(shè)共N個(gè)節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)廣播信號(hào)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，得到與匯聚節(jié)點(diǎn)的大致距離di,1≤i≤N，隨后將距離di和自身的剩余能量返回給匯聚節(jié)點(diǎn)。由于在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)位置一般不變，這里不討論移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則可得節(jié)點(diǎn)距離因子α：

(4)

其中，dmax為節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離最大值，dmin為節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離最小值。

為確保簇首的利用率設(shè)置節(jié)點(diǎn)密度因子ρ，使鄰居節(jié)點(diǎn)較密集的節(jié)點(diǎn)較易成為簇首，若鄰居節(jié)點(diǎn)密度很小，則該節(jié)點(diǎn)不適合成為簇首，以避免相對(duì)邊緣的節(jié)點(diǎn)成為簇首，造成能量浪費(fèi)。首先，將與某節(jié)點(diǎn)距離小于R的節(jié)點(diǎn)定義為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。距離R的定義式如式(5)所示：

(5)

其中，S為檢測(cè)區(qū)域的面積，Popt為最佳簇首比率(模擬取值0.1)[12]。那么，節(jié)點(diǎn)密度因子定義式如式(6)所示：

(6)

其中，Nlj為鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)。

本文結(jié)合節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)半徑Rc，采用非均勻分簇的思想，降低靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的簇的規(guī)模，以避免“熱區(qū)”問題。競(jìng)爭(zhēng)半徑Rc計(jì)算公式如式(7)所示：

(7)

其中，d(i,Sink)為節(jié)點(diǎn)i到Sink的距離，c為取值控制參數(shù)。確定了成為簇首的競(jìng)爭(zhēng)條件，即相鄰簇首互不在對(duì)方的競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)。

所有認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)按隨機(jī)次序進(jìn)行判決，判決思想繼承了EAMMH算法輪的概念。簇首數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[17]提供的動(dòng)態(tài)選舉思想進(jìn)行確定。簇首選舉概率公式結(jié)合了節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)密度因子ρ和節(jié)點(diǎn)距離因子α，選舉較優(yōu)候選簇首。簇首選舉概率計(jì)算公式如式(8)所示：

(1-β)[τρ+(1-τ)α]

(8)

其中，β為能耗因素占比權(quán)重系數(shù)，τ為節(jié)點(diǎn)密度因素占比系數(shù)，β與τ可以根據(jù)實(shí)際需求更改，本文算法均取值0.5。根據(jù)式(8)，剩余能量多、鄰居節(jié)點(diǎn)密度大、距離匯聚節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)有更高的候選簇首當(dāng)選概率。E(i)為節(jié)點(diǎn)剩余能量，Ei(0)為該節(jié)點(diǎn)的初始能量，Etotal為節(jié)點(diǎn)能量和，Ea為當(dāng)前輪次節(jié)點(diǎn)理論剩余能量平均值，Etotal和Ea的計(jì)算方法分別如式(9)和式(10)所示：

(9)

Ea=Etotal(1-r/rmax)/N

(10)

其中，r為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前測(cè)試輪次，rmax為最大測(cè)試輪次。在選舉候選簇首時(shí)，節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)0～1的隨機(jī)數(shù)，若該隨機(jī)數(shù)小于該節(jié)點(diǎn)閾值，則該節(jié)點(diǎn)擔(dān)任候選簇首。EMMCH算法中的節(jié)點(diǎn)閾值計(jì)算公式如式(11)所示：

(11)

k=P(t)×N

(12)

其中，G(t)為當(dāng)前普通傳感器節(jié)點(diǎn)集合，即，擔(dān)任過簇首的節(jié)點(diǎn)不重復(fù)成為簇首。

將全部通過判決的節(jié)點(diǎn)定義為候選簇首。隨后，認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立監(jiān)測(cè)無線傳輸環(huán)境并通過頻譜感知方法中的能量檢測(cè)算法找到頻譜空穴信息。設(shè)可用信道數(shù)為C，Vi(t)為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的信道可用性向量：

i≤c≤C

(13)

對(duì)特定信道中的主用戶活動(dòng)的預(yù)測(cè)會(huì)為該信道提供更準(zhǔn)確的判決信息，因此節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的預(yù)期信道可用性定義如式(14)所示：

(14)

(15)

其中，Ni是節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，ei是其剩余能量，γij(t)是在時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)j的相對(duì)頻譜可用性，其計(jì)算公式如式(16)所示：

(16)

其中，min是最小值運(yùn)算符，*表示內(nèi)積。據(jù)此，頻譜能量等級(jí)最高的候選簇首擔(dān)任簇首。

每個(gè)非簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)其到各個(gè)簇首(CHs)的距離入簇。在確定CH并形成簇之后，啟動(dòng)路徑建立過程。每個(gè)CH在公共控制信道上廣播CH路由請(qǐng)求(CH-RREQ)消息。當(dāng)成員節(jié)點(diǎn)si從其CH接收到CH-RREQ消息時(shí)，若該消息是重復(fù)的，則丟棄該消息;否則，若滿足以下條件，則廣播該消息：

(1)成員節(jié)點(diǎn)si到接收器的距離比發(fā)送節(jié)點(diǎn)ss到接收器的距離短，即d(si，Sink)

(2)剩余能量高于平均水平，即E(si)>Eth,保護(hù)低能量的節(jié)點(diǎn)不參與路由過程。

(3)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ss和接收節(jié)點(diǎn)si之間至少有一個(gè)公共空閑頻率信道。

如果滿足上述所有條件，則si將CH-RREQ轉(zhuǎn)發(fā)給其鄰居節(jié)點(diǎn);否則，丟棄該消息。 以這種方式，其他簇結(jié)構(gòu)的成員在公共控制信道上接收CH-RREQ，并且如果滿足以上條件則將其轉(zhuǎn)發(fā)到其CH。重復(fù)此過程，直到接收器收到消息。接收器收到消息后，將路由應(yīng)答(RREP)消息返回原CH，此消息包含組成路徑的節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)以及這些節(jié)點(diǎn)之間的距離。

隨后，CH在所有接收到的可用路徑中選擇最佳路徑。選擇依據(jù)為路徑的通信成本D：

D=Cost×Unbalance

(17)

其中，Cost表示傳輸成本，由于能量消耗取決于發(fā)射器和接收器之間的距離，因此傳輸成本可以定義為：

(18)

其中,Wj是節(jié)點(diǎn)sj-1和sj之間距離的平方，L是由集合{s0，s1，…，sL}表示的路徑中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，sL表示接收器。Unbalance表示路徑的不均衡程度，代表路徑上的節(jié)點(diǎn)之間能量消耗的變化，其定義如式(19)所示：

(19)

CH選擇D最小的路徑為傳輸數(shù)據(jù)包的路徑，使整體能量消耗更小、更均衡。

定義φ為節(jié)點(diǎn)死亡收斂速率，在保證網(wǎng)絡(luò)生命周期的前提下，在某一段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的死亡速率越高，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性越好。節(jié)點(diǎn)死亡收斂速率如式(20)所示：

(20)

其中，ω和θ表示在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間tω和tθ內(nèi)死亡的節(jié)點(diǎn)比率。在θ不變的情況下，越長(zhǎng)的tθ代表越長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期。若ω和θ不變，tω和tθ之間的差值越小，網(wǎng)絡(luò)能量消耗越均衡。

各節(jié)點(diǎn)間的剩余能量差別的大小可直接反映網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡程度。定義節(jié)點(diǎn)剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差σ如式(21)所示。σ越小，說明各節(jié)點(diǎn)之間剩余能量差別越小，即網(wǎng)絡(luò)能耗越均衡。

(21)

4 仿真結(jié)果分析

本節(jié)將EMMCH算法與EAMMH算法、LEAUCH算法、結(jié)合能量改進(jìn)SEP算法的EC-SEP算法和適用于CRSN的改進(jìn)算法CSEP進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并對(duì)比討論。仿真對(duì)比了網(wǎng)絡(luò)的生命周期、節(jié)點(diǎn)平均剩余能量、節(jié)點(diǎn)死亡收斂速率、傳輸數(shù)據(jù)量及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)范圍大小的影響等方面。

設(shè)置仿真模擬節(jié)點(diǎn)數(shù)為100，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

Table 1 Simulation parameter settings

首先，設(shè)置各算法節(jié)點(diǎn)總數(shù)、總能量相同，討論監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍大小對(duì)EMMCH算法及其他算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期影響程度，仿真結(jié)果如圖1所示。

Figure 1 Comparison of the influence of the monitoring area

從圖1中可見，EMMCH算法在監(jiān)測(cè)區(qū)域邊長(zhǎng)為80 ～140 m時(shí)，始終有較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期且受檢測(cè)區(qū)域面積變化影響不大。檢測(cè)區(qū)域邊長(zhǎng)的增加意味著數(shù)據(jù)傳輸距離的增加，代表著更高的傳輸消耗。在監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?0 m×60 m時(shí)，EMMCH算法網(wǎng)絡(luò)生命周期要短于LEAUCH算法；在監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?00 m×200 m時(shí)，EMMCH算法網(wǎng)絡(luò)生命周期與CSEP算法的接近；在監(jiān)測(cè)區(qū)域邊長(zhǎng)為80～140 m時(shí)，EMMCH算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期約為CSEP算法的1.22倍，約為EC-SEP算法的1.54倍，約為L(zhǎng)EAUCH算法的2.86倍。

設(shè)置相對(duì)均衡的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?00 m×100 m，網(wǎng)絡(luò)生命周期仿真對(duì)比如圖2所示。

Figure 2 Comparison of network life cycle

如圖2所示，在不考慮延遲和可靠性的情況下，保持各算法參數(shù)一致，EMMCH算法具有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期，節(jié)點(diǎn)能量耗盡輪次最為接近，說明網(wǎng)絡(luò)消耗均衡性更高?？梢?，EMMCH算法具有更高的網(wǎng)絡(luò)實(shí)用性和穩(wěn)定性。

Figure 3 Comparison of average remaining energy of nodes

節(jié)點(diǎn)平均剩余能量仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可見，各算法中節(jié)點(diǎn)初始總能量一致，EMMCH算法的節(jié)點(diǎn)平均剩余能量最高，說明能耗最低。為討論算法的穩(wěn)定性，本文仿真對(duì)比了節(jié)點(diǎn)死亡收斂速率及節(jié)點(diǎn)剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果分別如圖4～圖6所示。

Figure 4 50% node death convergence rate

Figure 5 80% node death convergence rate

Figure 6 Comparison of node residual energy standard deviation

節(jié)點(diǎn)死亡收斂速率代表了各節(jié)點(diǎn)能量消耗的均衡性。如圖4和圖5所示，EMMCH算法具有最高的節(jié)點(diǎn)死亡收斂速率，說明有節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)開始，EMMCH算法節(jié)點(diǎn)死亡速率最大，即各節(jié)點(diǎn)能耗更均衡。圖6為網(wǎng)絡(luò)中普通傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖。節(jié)點(diǎn)剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差表示各節(jié)點(diǎn)剩余能量的差異，差異越小，消耗越均衡，網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定。由圖6可知，EMMCH算法的節(jié)點(diǎn)剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明EMMCH算法具有最高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸量對(duì)比如圖7所示。從圖7可知，EMMCH算法具有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期、更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)用性和更高的數(shù)據(jù)傳輸量。

Figure 7 Comparison of data transmission volume

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于EAMMH算法提出了一種適用于認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分層路由算法——EMMCH算法。該算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)的位置因子和鄰居節(jié)點(diǎn)密度因子改進(jìn)了簇首選舉概率，降低了能量低、位置差、鄰居節(jié)點(diǎn)少的節(jié)點(diǎn)成為簇首的可能性。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信道可用性向量、預(yù)期信道可用性向量和節(jié)點(diǎn)剩余能量設(shè)計(jì)的頻譜能量等級(jí)選舉最優(yōu)簇首，使簇首選舉更為合理。結(jié)合節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)半徑的概念，平衡了“熱區(qū)域”簇首能量消耗。簇首數(shù)依據(jù)動(dòng)態(tài)變化的思想，減少了資源浪費(fèi)。數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首節(jié)點(diǎn)選取節(jié)點(diǎn)剩余能量在平均值之上、距離匯聚節(jié)點(diǎn)更近且存在空閑信道的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳傳輸路徑規(guī)劃，再結(jié)合由路徑消耗和不均衡程度定義的通信成本選取最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使網(wǎng)絡(luò)中能量消耗更為均衡。

仿真結(jié)果表明，EMMCH算法可延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加數(shù)據(jù)傳輸量，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。