淺析基于能耗均衡的 WS N 分簇路由協(xié)議

劉珺 李宗伯

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)湖南長沙410073）

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，一些具備一定計(jì)算和聯(lián)絡(luò)作用的傳感器通過彼此的配合協(xié)作而建立起一種叫做無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)WSN ( Wireless SensorNetwork) 。這種網(wǎng)絡(luò)的部署條件比較特別，如郊外、戰(zhàn)役、考試、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，一般情況下系統(tǒng)的配置形式是節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)分布。因?yàn)橘Y金以及系統(tǒng)大小等因素的影響對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的電量補(bǔ)充變得十分困難，所以對(duì)于這種類型的 WSN 來說，能耗問題是首要需要考慮的［1］。所以說在使用分簇路由協(xié)議的過程中如果措施合理有效，可以降低聯(lián)絡(luò)總值、通信問題和加快傳播速度，在一定的程度上提高通信效率以及降低能耗，是得各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的能耗值有所下降，延長裝備的使用壽命［2］。在這里筆者特定的環(huán)境作為研究分析的前提，暫且忽視一些不良因素對(duì)聯(lián)絡(luò)通信途徑以及效果的影響。

一、相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

1、 LEACH 協(xié)議的分簇機(jī)制

在所有的分簇路由協(xié)議中，LEACH ［10］是最具代表性的一種，該系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)在收集到所需信息之后傳遞給簇頭，簇頭將其直接轉(zhuǎn)發(fā)到Sink。LEACH主要的工作原理是：在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，但是不受任何標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限制，在這個(gè)過程中將所有的電能負(fù)荷都調(diào)配給全部的節(jié)點(diǎn)，要注意均衡性，這樣做可以有效的降低網(wǎng)絡(luò)使用過程中的能耗量，同時(shí)也可延長設(shè)備的使用壽命。在該協(xié)議里面，節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率與節(jié)點(diǎn)數(shù)、簇頭比例和輪數(shù)有關(guān)，而且這些數(shù)據(jù)的形成存在很大的隨意性。在簇頭的選擇過程中一定要想要的一點(diǎn)就是必須最大程度的降低網(wǎng)絡(luò)使用過程中的能耗量，在經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)試驗(yàn)與推斷之后，最佳的簇頭數(shù)量比值應(yīng)該是6%［10］。傳感器節(jié)點(diǎn) n隨機(jī)生成一個(gè)( 0，1)之間的隨機(jī)數(shù)，并且與閾值函數(shù) T( n) ：

經(jīng)過對(duì)比，其中 P 為簇頭比例，r 為已完成的輪數(shù)，Gr為在最近的 1/P 輪中未沒有被選中的節(jié)點(diǎn)的匯集。要是在選擇粗頭的過程中，任意性低于這個(gè)數(shù)值，那么就可以對(duì)其進(jìn)行選定。

2、簇間路由

為了有效的減少外界帶來的影響，在WSN 中，簇內(nèi)與簇間在的聯(lián)絡(luò)頻率這一方面具有很明顯的不同之處［10］。信息資料依靠的幾個(gè)簇頭之間相互傳遞，但是信息資料卻無法在相隔離的簇頭以及相隔比較遠(yuǎn)的簇頭之間進(jìn)行傳遞，因?yàn)樵诘诙N情況下網(wǎng)絡(luò)能耗會(huì)出現(xiàn)大幅度上升的趨勢(shì)，但簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)不需要充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，EBCRP的內(nèi)容不難。在沒有實(shí)線的情況下，選擇下一跳進(jìn)行中繼實(shí)際上是協(xié)調(diào)安排合適的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。以具體的能耗量作為參考依據(jù)，沒一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離最好控制在一定的范圍之內(nèi)。

二、EBCRP 協(xié)議

在具體的操作過程中應(yīng)該以WSN 的主要特征作為參考標(biāo)準(zhǔn)，EBCRP內(nèi)容必須要符合： 區(qū)域自治、冗余數(shù)據(jù)融合、路由時(shí)盡量一特定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)資料作為選擇依據(jù)、同時(shí)要符合計(jì)算簡潔的具體要求。

1、隨距離變化的簇頭概率

所有的粗頭都有中繼作用，離 Sink 越近的簇頭，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中消耗掉的能量就會(huì)越多。如果距離 Sink 的越近的地方簇頭的數(shù)量越多，就越能降低中繼過程中產(chǎn)生的總能耗。所以，在經(jīng)驗(yàn)因子的選擇工作中必須要堅(jiān)持適度的原則。假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的半徑為 R，d是節(jié)點(diǎn)與 Sink 的距離，采用 exp ［( R － d) / R］、1 － ( R － d) / R、a(R－d)/R( a＞1) 等各種距離 d 的反比例函數(shù)因子進(jìn)行多次仿真測(cè)試，這種類型的測(cè)試也應(yīng)該遵循任意性原則，測(cè)試結(jié)果顯示，在經(jīng)驗(yàn)因子為 1． 5(R－d)/R的時(shí)候，可得公式為：

2、便于數(shù)據(jù)融合的等待措施

協(xié)議內(nèi)容中明確指出了中繼數(shù)據(jù)的融合，同時(shí)有設(shè)置有等待體系，但中繼數(shù)據(jù)的融合組大比值為99%，這就使得EBCRP有了更大的發(fā)展余地; 對(duì)簇內(nèi)信息進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整比值設(shè)定為 71%。離Sink 有一定距離的簇頭在延長時(shí)間上顯得有些太長，距 Sink 較近的簇頭等待時(shí)間較長，以便中繼簇頭對(duì)更多的簇間數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。本文的仿真條件下，EBCRP 具體使用時(shí)間 T 的大小可以用下面得式子來表示：

在這個(gè)公式中， d 表示節(jié)點(diǎn)與Sink 之間的遠(yuǎn)近，時(shí)間單位為 s。10 和100 在這里表示的是調(diào)節(jié)的功效，可以取其他值。根據(jù)客觀的網(wǎng)絡(luò)使用狀況及需求，可以對(duì)延長時(shí)間的數(shù)值進(jìn)行套正。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境來調(diào)整延長時(shí)間的長短。

3、對(duì)距離、角度的路由進(jìn)行科學(xué)的判斷

在簇內(nèi)，EBCRP 協(xié)議采用與 LEACH 協(xié)議相同的節(jié)點(diǎn)單跳傳輸數(shù)據(jù)至簇頭的路由方式。在進(jìn)行簇間路由選擇的時(shí)候，最好選擇間距合理而且節(jié)點(diǎn)小的類型。所以，可以利用

的總值來對(duì)中繼簇頭進(jìn)行衡量，其中 a 是夾角，R 是半徑的代表，d 表示節(jié)點(diǎn)與 Sink 之間的間距。

結(jié)語：

筆者在文中對(duì)能耗均衡的分簇路由協(xié)議 EB-CRP進(jìn)行了描述。該種類型的路由協(xié)議可以再很大的程度上提高 WSN 的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)它還具有計(jì)算簡單等一系列的優(yōu)點(diǎn)，適合普遍推廣使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張瑤. 一種面向能耗均衡的WSN分簇路由算法的研究[D].湖南工業(yè)大學(xué),2012.

[2]朱勇剛. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略的研究[D].南京理工大學(xué),2012.

[3]李建洲,王海濤,陶安. 一種能耗均衡的WSN分簇路由協(xié)議[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,03:396-401.

[4]張霞. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議若干關(guān)鍵問題研究[D].解放軍信息工程大學(xué),2009.

[5]李洪兵. 基于蟻群算法的WSN路由算法研究[D].重慶理工大學(xué),2011.

[6]馮江,吳春春. 基于能耗均衡的WSN多跳分簇路由算法[J]. 計(jì)算機(jī)工程,2012,16:104-107.