基于剩余能量和覆蓋率感知的分簇協議

韓艷 王靜宇 譚躍生

摘 要： 保持目標區域的覆蓋是無線傳感網絡（WSN）應用的最根本目標，因此，設計能量有效算法進而最大化覆蓋時間成為大型網絡的核心問題。為此，提出分布式、能量和覆蓋感知路由（DECAR）協議實現網絡覆蓋最大化的目標。在簇頭（CH）選舉中，考慮節點的剩余能量和節點的覆蓋重疊度，使得具有較高的剩余能量節點、覆蓋重疊度高的節點有更多的機會成為CH，進而避免了剩余能量較小的節點成為CH而產生節點過早失效使網絡壽命縮短的問題，平衡了網絡能量消耗。在數據傳輸階段，構建由CH組成的數據傳輸主干線，提高數據傳輸效率。仿真結果表明，與CPCP?ea，EEUC協議相比，提出的DECAR協議具有較長的網絡壽命和良好的數據覆蓋率。

關鍵詞： 無線傳感網； 簇； 能量； 覆蓋率； 網絡壽命

中圖分類號： TN915.04?34； TPT393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0022?05

Abstract： The most fundamental target of the wireless sensor network （WSN） application is to preserve the coverage of the target area. Therefore， the design of the energy efficient algorithm to cover the time to the maximum extent is the central problem of the large?scale network. The distributed?energy and coverage aware routing （DECAR） protocol is proposed to realize the target of maximum network coverage. The CH （cluster head） election is based on the residual energy and coverage overlapping degree of the nodes， so the node with high residual energy and high coverage overlapping degree has more opportunity to become the CH. The problem of reducing network lifetime is avoided， which is caused by the node premature failure when the node with less residual energy becomes the CH. The network energy consumption is balanced. In data transmission stage， the data transmission backbone composed of the CHs was constructed to improve the data transmission rate. The simulation results show that the proposed DECAR protocol has longer network lifetime and wider coverage rate than those of the CPCP?ea and EEUC protocols.

Keywords： wireless sensor network； cluster； energy； coverage rate； network lifetime

0 引 言

隨著現代電子技術的發展，無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN）在各類應用中廣泛使用，如康復醫療、戰場、野外環境監測等[1]。這些應用場景中均需要在目標區域以隨機或特定方式部署傳感節點，然后傳感節點感測環境數據，并以直接或間接方式向簇頭（Cluster Head，CH）傳輸。為了能夠實時監測環境，目標區域必須由傳感節點完全覆蓋。因此，為了保持目標區域完全覆蓋，通常以冗余方式部署大量的傳感節點，以避免覆蓋空洞[2]。然而，由于傳感節點能量有限以及供給不足，一些傳感節點因能量消耗而失效，導致覆蓋空洞。因此，提高節點能量利用率、解決覆蓋空洞問題成為無線傳感網絡的研究熱點。

目前研究人員已提出了不少的能量保存技術[3]。這些技術的目標就是降低傳感節點的能量消耗，進而擴展網絡壽命，從而維持目標區域的完全覆蓋。其中，基于簇的技術因其在提高能量利用率方面的優勢被大家所熟知。在基于簇的技術中，所有傳感節點劃分為不同的簇，每個簇有一個CH，其他傳感節點為簇成員（Cluster Members，CMs）。簇頭CHs負責收集并融合CMs的感測數據，再以多跳通信方式轉發至信宿Sink。

針對無線傳感網絡，研究人員已提出了大量的簇算法[4?7]。然而，由于部分傳感節點的失效，這些算法并不能保證目標區域被完全覆蓋。因此，基于簇的算法應需能感知覆蓋區域，進而維持傳感網絡的覆蓋壽命。換而言之，即使在部分傳感節點失效的情況下，無線傳感網絡仍應維持最大化的覆蓋區域。文獻[8]已提出了覆蓋感知的簇算法，但是這些算法均忽略傳感節點覆蓋區域重疊問題。

此外，文獻[9?11]提出了基于簇的多跳路由協議，其作為延長網絡壽命的有效技術。在多跳通信中，CH通過其他簇頭CHs作為中間轉發節點向信宿傳輸數據。然而，該協議的主要問題在于：靠近信宿的簇頭CHs承擔著更多的數據轉發任務，這加速了其能量消耗，易形成能量空洞問題。

為此，本文提出了分布式、能量和覆蓋感知路由DECAR（Distributed?energy and Coverage Aware Routing）協議，提高網絡覆蓋壽命。在DECAR協議中，首先形成大小不一的簇，解決在數據傳輸過程中離信宿節點近的簇頭CHs能量消耗過快的問題。然后，在每個簇內，利用節點的剩余能量以及其覆蓋區域重疊度選擇CH。最后，建立由CH構成的主干數據傳輸路徑。仿真結果表明，提出的DECAR協議能夠有效地延長網絡壽命降低能量消耗。

1 網絡模型

本文考慮無線傳感網絡節點均是同構的，初始能量相同。一旦部署于目標區域就靜止不動，即屬于靜態網絡。此外，傳感節點利用定位技術[12]能夠獲取自己的位置信息。

1.1 網絡時序

本文將網絡時序劃分為多個周期，一個周期稱為一輪。每輪內設有簇化和數據傳輸階段。如圖1所示。

簇化階段選擇簇頭，并形成簇；數據傳輸階段進行數據傳輸。簇內節點感測數據，并將數據發送于簇頭，收集并融合后，簇頭將數據傳輸至基站。為了避免節點間數據傳輸的相互干擾，在傳輸過程中，為每個節點分配一個時隙，節點在該時隙內進行數據傳輸。

1.2 能量模型

此外，將DECAR協議的仿真數據同CPCP?ea[8]以及EEUC[14]協議在網絡壽命、覆蓋壽命以及其他性能進行比較。其中覆蓋壽命用輪數表示，其數值等于目標區域被完全覆蓋所持續的輪數。若在[M]輪目標區域被完全覆蓋，而[M+1]輪目標區域未被完全覆蓋，則覆蓋壽命為[M]輪。同理，網絡壽命也用輪數表示，其數值等于網絡內第一節點失效時所發生的輪數。

3.2 網絡壽命及能量消耗

首先分析了DECAR方案的能量消耗以及失效簇頭數，結果如圖5所示。在同輪Round情況下，提出的DECAR方案的能量消耗少于CPCP?ea和EEUC方案。這主要是因為CPCP?ea協議未考慮簇頭失效的情況，能量利用率低。在簇頭失效的情況下，仍向簇頭傳輸數據，浪費了能量。而EEUC協議優于CPCP?ea協議，原因在于EEUC協議考慮了CH的失效情況。

此外，圖5還描述了幾個協議的CH失效數。數據顯示DECAR協議的失效簇頭CHs明顯少于CPCP?ea和EEUC。

表2列舉了部分實驗數據。從表2可知，在能量消耗了近50%時，提出的DECAR協議已運行至1 082輪，而CPCP?ea，EEUC分別運行了477輪、478輪。從能量消耗數據可知，DECAR協議比CPCP?ea，EEUC協議的能量消耗利用率分別提升了127.0%，126.6%。例如，在運行1 000輪時，提出的DECAR協議僅消耗了22.0 J能量，而CPCP?ea協議，EEUC協議分別消耗了48.6 J，47.5 J。

表3列舉了實驗中的兩項數據：運行2 000輪后，活動節點數；第一個失效節點的總運行輪數，即網絡壽命。從表3可知，與CPCP?ea協議相比，提出的DECAR協議在第一個失效節點發生時間上提升了66.9%，比EEUC協議提升了71.9%。這些性能提升歸功于DECAR協議利用節點剩余能量和覆蓋重疊率選擇簇頭。

3.3 覆蓋率

圖6 繪制了三類協議的覆蓋率變化曲線。從圖6可知，提出的DECAR協議的覆蓋率優于EEUC，CPCP?ea協議。原因在于DECAR協議提高了能量利用率，降低了節點的能量消耗，同時，優化了數據傳輸路徑。

4 結 語

針對無線傳感網絡的數據傳輸問題，提出DEACR協議，DEACR協議引用簇技術。首先將傳感節點劃分為不同的簇，每個簇依據節點的剩余能量以及覆蓋區域的重疊度選擇CH，其余節點作為該簇的成員節點。然后，建立由CH構成的數據傳輸主線。數據攜帶CH計算與鄰居各CH的成本，選擇成本大的節點作為下一跳數據轉發節點。由于成本函數蘊含節點剩余能量以及路徑損耗信息，成本越大，意味著剩余能量大、路徑損耗小。這些均有利于存儲能量，擴展網絡壽命。最后，對協議進行仿真，分析它在網絡壽命、覆蓋率以及能量消耗方面的性能。仿真結果表明，提出的DEACR協議能夠降低能量消耗，擴展網絡壽命，進而提高覆蓋率。

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