基于權重的NPCHS-Leach協議簇頭選取策略優化研究*

2015-08-24 02:53:52王靈矯彭志強李哲濤郭華鐘益群

傳感技術學報 2015年12期

王靈矯，彭志強，李哲濤，郭華，鐘益群

（1.湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭411105；2.湖南省湘潭大學智能計算與信息處理教育部重點實驗室，湖南湘潭411105）

王靈矯1，2*，彭志強1，2，李哲濤1，2，郭華1，2，鐘益群1，2

（1.湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭411105；2.湖南省湘潭大學智能計算與信息處理教育部重點實驗室，湖南湘潭411105）

Leach協議的提出很大程度上延長了網絡的生命周期，但簇頭的選取并未考慮當前節點剩余能量和節點分布情況，導致網絡能量消耗不平衡。改進的簇頭選擇協議NCHS-Leach（Novel Cluster Head Selecting Leach）存在沒有考慮節點當選簇頭次數以及節點距離基站的距離等問題。據此，該文提出了改進協議—基于權值的簇頭選取NPCHS-Leach（Novel Power Cluster Head Selecting Leach）協議，在選取簇頭節點時綜合考慮節點的剩余能量、距離、節點成為簇頭的次數以及偵聽密度，優化簇頭節點選取策略延長網絡生命周期。通過MATLAB工具軟件隨機建立的網絡拓撲模擬NPCHS-Leach協議、Leach協議以及NCHS-Leach協議的運行，其仿真結果表明該協議比NCHS-Leach協議延長網絡生命周期40～50%。

無線傳感器網絡；低能耗；權重；分簇；Leach協議；

EEACC：6150P；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2015.12.020

隨著微電子、無線通信、計算機技術的發展，一種集成多種功能的低成本小型傳感器節點被廣泛使用。大量的該類多功能節點協同工作，就形成了無線傳感器網絡［1-2］。無線傳感器網絡特別適合環境監控，如類似于森林火災報警等難以靠近的場所進行數據采集的應用［3-4］，文獻［3-4］提出了利用無線傳感器網絡設計的監控系統對預防森林火災的重要性。無線傳感器網絡不同于無線Ad-Hoc網絡和Internet路由［5-6］，無線傳感器網絡雖然在結構上和Ad-Hoc網絡和相似，但是Ad-Hoc網絡通信的節點不是一個個的傳感器，而是便攜式計算機、掌上電腦、個人數字助理（PDA）等移動終端設備。無線傳感器網絡中的節點數量多于傳統Ad-Hoc網絡中的節點數量，并且分布密度大。節點較之傳統Ad-Hoc網絡中的節點更容易出錯。無線傳感器網絡的節點的計算能力、存儲能力和電能也十分有限，所以，降低節點能耗和成本是設計無線傳感器網絡主要考慮的因素之一。無線傳感器網絡中的節點由電池供電并且常常隨機和廣泛部署，充電變得不可能，因此，每個傳感器節點的處理能力和感知能力都有限，減少節點的能源消耗顯得非常必要［7-8］。大量研究結果不斷表明，提出創新的路由算法和有效地利用可用的能量以確保網絡更健壯、可靠和準確具有現實的理論和實際意義。無線傳感器網絡中的路由分為平面路由，分層路由，基于位置的路由取決于網絡結構［9-10］。分層路由也稱為集群路由［11-12］，這類型路由的傳感器節點被分組在一起并形成簇。在每一個簇中，能量越高的節點被分配以作為一個簇頭節點CH（Cluster Head），成為領導者負責自行收集和匯總數據并將各自的集群和傳輸匯總各自集群內的數據后轉發至基站BS（Base Station）［13-14］。

基于節點剩余能量的無線傳感器網絡分層路由協議有Leach［15-17］，NCHS-Leach［18］，CHEF［19］，I-Leach［20］等。Leach協議是最簡單的分層路由協議，主要目的是平衡網絡節點能量消耗以達到延長網絡生命周期。但是，Leach能量消耗不均衡，導致節點過早死亡。NCHS-Leach協議是基于分簇的能量有效路由協議，NCHS-Leach并沒有考慮節點密度和節點成為簇頭次數等因素。Kim提出的基于能量和距離CHEF算法在選取簇頭還是隨機地選取候選節點，不夠完善。在Leach協議的基礎延長了網絡生命周期22.7%，CHEF協議是以模糊邏輯為基礎來選取局部簇頭節點。I-Leach協議在Leach協議基礎使網路生命周期延長了55%。NCHS-Leach算法分為兩個階段：啟動階段和穩定階段，由于NCHS-Leach協議在每個輪回選取簇頭時沒有考慮節點成為簇頭節點的次數以及離基站的距離、權重系數，被選中的簇頭并不是最優的。在Leach和NCHS-Leach協議的基礎上本文提出NPCHS-Leach協議，基本思想是：在選取簇頭時，綜合考慮了節點能量，節點成為簇頭次數，偵聽密度，離基站距離以及當前輪最優簇頭次數，并引入權重因子，權重因子的值由層次分析法確定。

1　Leach協議及其NCHS-leach的分析

1.1Leach協議

Leach協議隨機選取簇頭節點，在確定簇頭結點前，每個節點產生一個0～1之間的隨機數，如果該隨機數小于給定的閾值T（n），該節點在本輪被選中為簇頭。T（n）由式（1）計算得出。

式中：p為簇中節點選為簇頭節點的概率，r為當前輪序號，G為前r-1個輪回未被選為簇頭的節點集合。Leach協議隨機選取的簇頭節點不能保證簇頭是最優的，則網絡能量不能有效地利用，使之達到最低能耗。

1.2NCHS-Leach協議

Leach協議沒有考慮節點剩余能量，剩余能量為0.5 J和0.05 J的節點成為簇頭的概率基本上是一致的，而簇頭節點比普通節點的能耗大，這會導致網絡負載不平衡。Leach協議選取的簇頭節點太過于集中，部分區域簇頭節點過多，部分區域簇頭節點較少等特點會增加非簇頭通信代價，因此文獻［21］提出了偵聽密度的概念并改進了Leach協議，即NCHS-Leach協議。NCHS-Leach協議簇頭選取與Leach協議相類似，每個節點依然會產生一個0到1之間的隨機數，只是前者在閾值的確定上考慮了能量和偵聽密度兩個因素。較少能量的節點應該少活動，成為簇頭的概率應小些，具有較大剩余能量的節點成為簇頭的概率應該大一點，以此來均衡網絡能量消耗；節點密度較大區域的簇頭個數也應該相對更為密集。閾值大小決定著節點當前輪是否能成為簇頭，其值由式（2）所決定：

式中：δ為具體應用相關常量，Er為節點當前剩余能量，SIn為節點偵聽密度。

2　改進的NPCHS-Leach協議

2.1NCHS-Leach協議存在的問題

①NCHS-Leach協議沒有考慮當前輪狀態下網絡的最優簇頭個數和網絡中簇頭數最優時的網絡負載平衡，根據實驗數據，最優簇頭數為網絡節點個數的5%［22-23］。

②NCHS-Leach協議未考慮節點到基站的距離和節點成為簇頭次數以及選取簇頭頻率，距離基站越遠的節點通信所消耗的能量越多，簇頭選取頻率太過頻繁將導致網絡不穩定。

③NCHS-Leach協議沒有考慮各個權重因子的大小，但各個因數對簇頭影響不同。

2.2NPCHS-Leach協議

NPCHS-Leach協議把一個周期分為初始階段和工作階段兩個時間段，初始階段網絡開始建立選取簇頭節點以及確立普通節點，工作階段網絡中節點開始收發數據。在NCHS-Leach協議的基礎上，為了保證每輪簇頭數量最優，特加入最優簇頭個數optcoutCHs控制因子。為了平衡網絡負載能耗最低以及節點成為簇頭次數較多時不能正常工作的情況，節點距基站距離Dcurr和節點成為簇頭次數S（i）.CH引入閾值計算中，引入權重系數后的閾值由式（3）確定。

式中：δ是權重系數值，可由層次分析法可以計算獲得，Ecurr為節點當前剩余能量，Dmax、Dcurr為網絡中節點離

基站的最遠距離以及當前輪節點離基站的距離，S（i）.CH為節點i成為簇頭的次數。

2.3權重系數值的確定

根據層次分析法（Analytic Hierarchy，Process AHP）［24-25］可把該問題分為如下步驟進行。

①建立如圖1所示的層次結構模型。

圖1簇頭選取的層次模型

圖1R中分為三層，目的層是選取簇頭節點，簇頭節點的選取必須根據規則層中的四個因素來進行確定，選取的范圍是網絡中全部節點。

②構造對比矩陣

參照Saaty教授的標度法能得出表1因子標度法。表1中βi和βj是指節點剩余能量因子、節點與基站的距離因子、節點當選簇頭次數因子、節點偵聽密度因子在選取簇頭時所占的權重值，其中節點剩余能量、節點與基站的距離、節點當選簇頭次數、節點偵聽密度兩兩之間的重要程度用矩陣A來表示，如式（4）所描述，b12代表節點剩余能量因子和節點與基站之間距離因子之間重要程度比值，同理A中各項都是各種因子之間的重要程度比值。能量因子與距離因子相比較，節點剩余能量在網絡中占主導地位，節點偵聽密度次之，節點當選簇頭次數以及節點與基站的距離相對次之，固b12=5，b13=5，b14=3。同理節點與基站之間距離相對比節點成為簇頭次數重要，而節點偵聽密度相對于節點與基站的距離更重要。根據兩因子相比較得出A，式（5）所示。

表1　R因子標度法

設β=（β1,β2,β3,β4）T是4階判斷矩陣的排序權重向量，當權重系數矩陣A為一致性判斷矩陣時，有式（6）用權重系數矩陣值β=（β1,β2,β3,β4）T右乘上式，可得到λβ=Aβ，則β為A的特征向量，且特征根為λ。

即對于一致性判斷矩陣，排序向量β就是A的特征向量。由一致性正互反矩陣的性質［26-27］可知，當A具有一致性時，λmax對應的特征向量歸一化后，β為權重向量，它表示（β1,β2,β3,β4）在準則層中選取簇頭時的權重，即權重構造矩陣有效。當A不具有一致性，則λmax＞λ，這時的特征向量β=（β1,β2,β3,β4）T就不能很好地體現出在簇頭選取中各因素所占比重，則可用一個衡量不一致程度的數量指標來描述，其定義為式（7）：

式中：n表示簇頭選取時權重系數元素的個數，RI表示權重系數平均隨機一致性指標，取值由表2可得，其值是根據Saaty總結的平均一致性指標所得。

表2　R平均一致性指標值

根據層次分析法中的權值計算公式即可得出β歸一化后的值δ，即可計算出最優的權重系數值δ1=0.473、δ2=0.153、δ3= 0.059、δ4=0.315。

2.4NPCHS-Leach協議具體實現

①第一輪開始前節點廣播“Hello”（ID和位置信息）消息到基站，基站依據收到的消息計算得出所有節點與基站的距離把距離及其最大距離信息返回給每個節點，前者在隨后的簇頭選擇輪次中保持不變。每輪開始前，基站統計節點個數，計算出最優簇頭個數Nopt。

②在NPCHS-Leach協議中，每一輪簇形成之前各節點隨機產生一個0到1000的隨機數Nrand。通過鄰居節點廣播“Hello”消息，每個節點就得到鄰居節點數和節點的ID和坐標，存放在自身的鄰居表Snei。每個節點根據式（3）得出Tn值，并與相應的隨機數進行比較，如果Tn＞Nrand，該節點就作為候選簇頭節點，并放入S_CH集合中。如果節點i的鄰居節點數為0，則退出選舉算法，否則，基站根據候選節點離基站的遠近和鄰居節點數選取簇頭，距離越近且鄰居節點數越多的節點就為簇頭，直到最優簇頭選取完畢。節點i成為簇頭后，向鄰居節點廣播自己成為簇頭消息，非簇頭節點根據鄰居表Snei的信息選擇最近的簇頭節點發送“join_request”消息，簇頭節點收到其它節點發送的“join_request”消息后，登記節點信息并發送響應消息“CH_response”，所有節點歸屬完簇后，協調建立一個TDMA的時間調度機制以確保簇頭與節點間的消息收發不受干擾，簇內節點按照劃分的時隙向簇頭發送數據，簇建立結束。

③簇內成員節點在簇建立后開始傳輸數據至簇頭節點，簇頭接收簇內節點傳送的數據，對數據包進行數據融合，然后轉發至基站或sink節點，當簇頭節點的能量達到預定的能量閾值E總/Surival_Nodes時會給基站發送一個重新分簇的“Re_clu”請求，基站收到“Re_clu”消息后會通過發送“Re_clu_ack”給各簇頭啟動下一輪分簇，簇頭收到基站發送的“Re_clu_ack”給予回復，啟動下一輪分簇。簇頭向簇內成員節點廣播重新分簇消息“R_clu”。

節點側的NPCHS-Leach算法偽代碼：

Begin：

#defineN100//網絡節點數

#definedeEini0.5//節點初始能量

Survival_Nodes=N，Eres，Nopt=N*0.05，E0=E總/N；

BroadMulti（Helllo）//節點廣播Hello消息到基站和鄰居節點；

ReceiveMes（dist，MaxDist）；//節點收到基站發送的距離消息

While（NextRound）

for i=1；i++；i＜=Survival_Nodes；

｛Rand［i］=random（1，1000）；//當前存活節點i產生1到1000的隨機數；

BroaMulti（Hello）；//節點向鄰居節點廣播Hello消息；

RecandCopu（Hello）；//節點接收鄰居節點廣播的Hello消息；

SeleCH（Nrand）；//計算閾值與選取候選簇頭節點；

DeciandJoin（ID）；

｝//選取簇頭及其節點歸屬；

Do｛

Send（Data）；

｝while（Event（CHEny＜CHEnyThr））；

TotEny=TotEnyComp（）；

If（TotEny＞TotEnyThr）｛

NextRound=True；

IniNextRoud（）；｝

end while

SeleCH（Rand［i］）｛//計算閾值與選取候選簇頭節點；

（Dmax/Dcurr）+δ3S（i）.CH+δ4SIn）

ifT［i］＞Rand［i］

ifNum［i］＞0then SetCH（ID）；//節點i的鄰居節點數大于0則節點i成為候選簇頭節點；

Endif；

Endif；｝

IniNextRoud（）｛//發起下一輪的簇頭選取

CHSend（Re_clu）；//簇頭節點向基站發送Re_clu重新分簇的請求消息；

WaitBS（T）；//等待基站回復消息；

Reciv（Re_clu_ack）；//解析來自基站；

Re_clu_ack消息和下一次分簇的能量閾值E；

BroadReclu（Re_clu）；｝//簇頭向所有普通節點發送Re_clu分區消息；

開始下一輪。

3　仿真結果及其分析

3.1網絡壽命

本文的網絡壽命是指無線傳感器網絡從正常工作狀態到不能正常處理數據或者不能工作的狀態所經歷的時間，意味著網絡生命的終結。網絡總能量和存活節點數可用來衡量網絡壽命是否結束，當網絡總能量低于初始總能量1/3時，網絡功能會受很大影響。網絡的活動節點數越來越少意味著網絡采集的數據也越來越不充分。

3.2仿真模型及其仿真結果

為了模擬提出的協議，根據Leach協議仿真模型建立了如下仿真模型：在100 m×100 m的場所內隨機的部署100個節點，每個節點初始能量設置為0.5 J，基站位置為（50，130），最優簇頭系數為0.05，保證每輪簇頭節點數最優，簇頭節點壓縮率為5%。

圖2為仿真模擬的網絡拓撲運行Leach協議、NCHS-Leach協議、CHEF協議和NPCHS-Leach協議第一節點和一半節點死亡周期圖。圖中能很明顯看出NPCHS-Leach協議第一節點和一半節點死亡輪數分別是在1 300和2 400時，NPCH-Leach最優。節點死亡影響整個網絡拓撲結構，然而當節點死亡數超過網絡總節點一半時，會影響網絡正常工作。

圖2和圖3中結果明確顯示NPCHS-Leach協議最優，圖3說明運行Leach協議和NCHS--Leach協議、CHEF的工作時間較短。而NPCHS-Leach協議網絡狀態更為穩定，節點存活時間更長。

圖2　R第一節點和一半節點死亡周期圖

圖3　網絡節點存活數與周期數關系示意圖

圖4R顯示出Leach協議和NCHS-Leach協議. CHEF協議分別在輪數為1 000和1 600、18 00時網絡的總能量少于1 J，網絡基本上就無法正常工作。NPCHS-Leach則是在輪數為4 000左右時網絡不能工作，該協議效果最好。因此，仿真結果說明了NPCHS-Leach協議使網絡中死亡節點的分布比LEACH、NCHS-Leach、CHEF更加均勻。

圖4　網絡總能量值與網絡周期數關系示意圖

圖4R的結果很明顯地展示了Leach協議和NCHS-Leach總能量消耗較迅速，網絡正常工作時間較短，這是源于NCHS-Leach和Leach沒有考慮最優簇頭數，選取簇頭時沒有把節點剩余能量、離基站位置和節點成為簇頭次數考慮其中，導致離基站較遠的節點首先耗盡能量而死亡。

圖5（a）和圖5（b）證明了Leach協議和NCHSLeach協議中死亡節點主要分布在離基站較遠的區域，從而導致網絡中節點能量消耗不均衡，使死亡節點分布不均衡。圖5（c）表明了NPCHS-Leach中，由于考慮了節點的剩余能量級別，使得死亡節點在整個網絡中分布比較均勻，從而避免了由于死亡節點的不均勻分布導致的網絡生命周期的縮短。而從圖2和圖3兩個網絡仿真結果可以得出NPCHSLeach在NCHS-Leach的基礎上生命周期提高了40%～50%。文獻［10-11］說明了CHEF，I-Leach比Leach能進一步延長網絡生命周期分別達到22.7%、55%，因此NPCHS-Leach是最優的。因此，NPCHS-Leach比Leach，NCHS-Leach，CHEF，I-Leach協議的工作周期更長。

圖5　R節點工作狀態圖

4　結束語

文中提出了一種新的改進型NPCHS-Leach協議，綜合考慮了網絡能量消耗的平衡，分析影響網絡壽命的偵聽密度、剩余能量以及簇頭離基站距離等因素。在簇頭選取策略中引入了權重因子，考慮每個因素對網絡和節點的影響程度賦予恰當的權重以均衡網絡能量的消耗，且優化網絡每輪簇頭個數進一步實現網絡生命周期最大化。從NPCHSLeach與LEACH、NCHS-Leach的性能對比仿真結果可以看出；對于給定的具有相同初始能量的節點，NPCHS-Leach經歷的輪數更長，整個網絡能夠獲得了更長的生命周期，本文的改進協議比NCHS-Leach的生命提高了大約40%～50%，是一種高效的無線傳感器網絡路由協議。

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An Optimal Clustering Selection Strategy Study on the Weighted NCHS-Leach Protocol*

WANG Lingjiao1，2*，PENG Zhiqiang1，2，LI Zhetao1，2，GUO Hua1，2，ZHONG Yiqun1，2
（1.School of Information Engineering，Xiangtan University，Xiangtan Hu'nan 411105，China 2.Key Laboratory of Intelligent Computing&Information Processing of Ministry of Education，Xiangtan University，Hu'nan 411105，China）

The Leach protocol has been proposed to much extend the life cycle of the network，but the selection of cluster heads has not considered the present residual energy of nodes and nodes distribution，which leads to unbalanced energy consumption of the network.Its improved NCHS-Leach protocol has exist several problems，such as it does not consider the number of a node being elected cluster head node and the distance from the base station to cluster head node.Accordingly，this paper proposes an improved protocol，the NPCHS-Leach protocol，which comprehensively considers nodes'residual energy，the distance from the base station to the cluster head node，the number of a node being a cluster head and listen density to optimize the selection strategy of cluster head node to extend the network life cycle while selecting the cluster head nodes.Through a network topology established randomly by MATLAB simulates the operation of NPCHS-Leach protocol，Leach protocol and NCHS-Leach protocol，the simulation results show that NPCHS-Leach protocol can extend 40-50%of the network life cycle more than NCHS-Leach protocol.

wireless sensor networks；low energy consumption；weights；clustering；leach protocol

王靈矯（1971-），副教授，博士，四川西充縣人，1995年畢業于南京理工大學機電工程專業并獲學士學位，2003年畢業于重慶郵電大學控制理論與控制工程專業（方向網絡管理）并獲工學碩士學位，獲南京郵電大學信息與通信工程通信與信息系統專業的工學博士學位，現主要從事移動性管理技術、WiMAX網絡技術、業務流管理技術的研究，lformat@sina.com；