無線傳感器網絡的分區異構分簇協議研究

胡春安，張夢婷

(江西理工大學　信息工程學院，江西　贛州 341000)

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無線傳感器網絡的分區異構分簇協議研究

胡春安，張夢婷

(江西理工大學信息工程學院，江西贛州 341000)

摘要:針對無線傳感器網絡能量受限和路由協議中節點能量消耗不均衡的問題，提出一種新的無線傳感器網絡的分區異構分簇協議(PHC協議)。該協議的核心是將3種不同能量等級的節點根據能量的不同分別部署在不同區域，能量較高的高級節點和中間節點使用聚類技術通過簇頭直接傳輸數據到匯聚點，能量較低的普通節點則直接傳輸數據到匯聚點。仿真結果表明，該協議通過對節點合理的分配部署，使簇頭分布均勻，更好地均衡了節點的能量消耗，延長了網絡的穩定期，提高了網絡的吞吐量，增強了網絡的整體性能。

關鍵詞:無線傳感器網絡；路由協議；分區異構分簇；穩定期； 吞吐量

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)由大量部署在監測區域內的傳感器節點組成，隨機監控各種物理條件或環境。在無線傳感器網絡中，路由協議的選擇極為重要，一個較好的路由協議可以延長網絡的生命周期，提高網絡的穩定性和吞吐量。近年來，隨著對WSN路由協議研究的不斷深入，出現了大量的無線傳感器網絡分簇協議。Heinzelman等人提出了LEACH的分簇協議[1]，它是第一個在無線傳感器網絡中被提出的層次聚類算法，該算法在同構網絡中性能很好，但是不能很好地適應異構網絡。由此基礎發展而來的有：DEEC算法[2]，基于節點剩余能量分布的簇頭選擇算法[3]，LEACH-ECHC算法[4]，gcLeach算法等[5]，基于改進LEACH的多簇頭分簇路由算法[6]。Smaragdakis等人提出了SEP協議[7]，它是一個二級異構感知協議。Aderohunmu等人提出了一個增強的穩定選舉協議——E-SEP協議[8]，是在SEP協議的基礎上引入中間節點，這兩個協議都不能保證所有節點有效部署。Faisal等人提出了無線傳感器網絡的區域穩定選舉Z-SEP協議[9]，在Z-SEP協議中將高級節點和普通節點按照能量的不同分別放在不同的區域，但簇頭只在高級節點中選舉。另外，還有其他的分簇協議，如An enhanced stable election protocol (SEP) for clustered heterogeneous WSN[10]、CRPCT協議[11]、EAUC路由協議[12]、SCRP算法[13]、EHCA結構[14]、TLTS協議[15]、RECRP分簇路由協議[16]、BPEC算法[17]、UECG[18]等。這些協議目前還不能高效解決節點布署以及異構網絡中簇頭分布不均勻等問題。針對這些問題，本文研究了一種混合方式的分區異構分簇協議(PHC協議)，通過仿真結果表明該協議可以合理分配部署網絡中的傳感器節點，解決簇頭分布不均勻等問題，達到延長網絡穩定期，提高網絡吞吐量的效果。

1簇頭選舉算法

文中采用了與LEACH協議相同的簇頭選舉算法，將傳感器網絡周期性的聚合分成若干個簇，每個周期為一輪(Round)，包括簇的形成階段和穩定的數據傳輸階段。為了盡量減少成本和最大化使用網絡資源，穩定的數據傳輸階段大于簇形成的階段。在簇形成階段，采用隨機選舉簇頭算法，每個節點自主選擇是否成為當前輪的簇頭；數據傳輸階段，節點發送數據到最近的簇頭，簇頭進行數據聚合傳輸到匯聚點完成一輪工作。在簇形成階段，每個節點自主選擇是否成為當前輪的簇頭，每個節點會成為簇頭的期望概率是popt，而在LEACH協議中根據網絡情況計算出最佳簇頭數目為kopt，因此popt計算公式如下

(1)

式中：n1是形成簇的總節點數。

(2)

式中：r是當前輪數。

2能耗模型

無線傳感器節點的能量消耗主要源于通信傳輸能耗，為了延長網絡的穩定期，節點能量必須在數據傳輸過程中得到高效利用。聚類算法最優的意義在于使均勻分布在所有傳感器節點的能耗和總的能源消耗最低，而這在很大程度上依賴于使用的能耗模型。文中采用的無線通信能量消耗模型[7]如圖1所示。

圖1　無線傳感器通信能耗模型

圖1中節點發射L(bit)數據到距離為d的位置，消耗的能量由發射電路損耗和功率放大損耗兩部分組成。功率放大電路的能耗根據發射節點和接收節點之間的距離d有所不同，當d小于等于閾值d0時，采用自由空間模型；當d大于閾值d0時，采用多徑衰落模型。無線電能量消耗被定義如

(3)式中：Eelec為運行發送電路或接收電路單位bit數據消耗的能量；εfs，εamp為兩種模型中功率放大時單位bit數據發送單位距離消耗的能量；閾值d0可由式(4)計算得到

(4)

接收一個L信息，能量的消耗為

ERX(L)=L×Eelec

(5)

另外，數據聚合也消耗一定能量。聚合過程[19]Ee如

Ee=L×EDA

(6)

式中：EDA表示單位bit數據聚合的能量。

3PHC協議設計

為了解決在異構網絡中簇頭分布不均勻和節點不能有效部署等問題，提出的分區異構分簇協議，根據節點的能量分布情況和與匯聚點的距離關系，對網絡進行區域劃分。

3.1網絡體系結構

在大部分的路由協議中，由于節點是隨機部署在網絡區域內，導致網絡中的節點能量不能高效的利用，因此文中根據能量級別和網絡區域的Y坐標將網絡領域劃分成5個區域：0區，1區，2區，3區，4區。

0區：匯聚點部署在整個網絡場的中心位置，普通節點隨機部署在0區，位于40

1區：高級節點的一半隨機部署在1區，位于80

2區：高級節點的一半隨機部署在2區，位于0

3區：中間節點的一半隨機部署在3區，位于60

4區：中間節點的一半隨機部署在4區，位于20

各節點的分布如圖2所示。

圖2　節點部署

3.2PHC協議

PHC協議使用了兩種技術傳輸數據到匯聚點：直接通信和使用聚類技術通過簇頭傳輸數據。

1)直接通信

普通節點分布在0區通過感知周圍環境，采集數據并直接發送數據到匯聚點。

2)使用聚類技術通過簇頭傳輸數據

高級節點和中間節點分布在1區，2區，3區，4區通過聚類算法直接把數據傳輸到匯聚點。簇頭分別在1區，2區，3區，4區形成，簇成員感知周圍環境，采集數據，簇頭從簇成員節點中收集數據并進行數據聚合后直接傳輸到匯聚點，因此簇頭的選擇是至關重要的。如圖2所示，高級節點隨機分布在1區和2區，中間節點隨機分布在3區和4區，而且簇頭只在高級節點和中間節點形成。網絡的總能量增加的比例為(1+m×a+b×u)，由(1)(2)式可得padv，pmid作為高級節點和中間節點各自的概率。因此有

(7)

(8)

如上所述，為了確保傳感器節點必須成為簇頭，必須為選擇過程計算新的閾值T(sadv)，T(smid)分別代表高級節點和中間節點的閾值

(9)

由上可知有n×m個高級節點，G′是高級節點在過去的1/padv輪中沒被選為簇頭的節點集合。

(10)

PHC協議的操作流程：首先形成網絡，判斷網絡中的節點是哪種節點，如果是普通節點則直接將節點信息發送到匯聚點；如果是高級節點和中間節點則進行簇頭選定，簇形成后，簇成員根據簇頭分配的TDMA時間調度表進行操作、采集信息，并上傳給簇頭。當簇頭收到數據后，進行數據聚合并直接傳向匯聚點。以下是PHC協議的操作流程圖，如圖3所示。

圖3　PHC協議流程圖

由于普通節點的能量小于高級節點和中間節點的能量，因此簇頭在高級節點和中間節點中形成，它在接收數據時比簇成員消耗更多能量，如果普通節點成為簇頭，則簇頭節點由于能量快速消耗反而導致穩定期縮短，吞吐量降低。

4實驗結果和分析

為了驗證PHC協議的合理性和有效性，選取網絡的穩定期和吞吐量作為評估標準，與其他分簇協議相比較，通過對協議進行仿真實驗來評估混合路由協議的性能。

4.1仿真參數設置

仿真軟件為MATLAB2013a，具體仿真測試實驗所用參數的設置如表1所示。

表1　實驗參數

由于文獻[5]中提出了網絡異構性(即網絡的穩定期)與m×a的大小成線性關系，并且當m×a=0.2時，節點對于小規模的異構結構較靈敏。隨著m×a的增加，當m×a=0.2時，節點異構性的靈敏度增長的趨勢開始變小，所以m×a=0.2是一個轉折點，因此本文只分析了m=0.1，a=2和m=0.2，a=1這兩種特殊情況下網絡的穩定期和吞吐量隨著參數b的變化情況。基于相同的仿真場景，將PHC協議與Z-SEP協議、LEACH協議和SEP協議相比較，仿真結果具體分析如下。

4.2實驗結果與分析

網絡的穩定期和吞吐量是衡量網絡性能的指標。該協議通過引入高級能量的節點，并對網絡中不同能量級別的節點合理高效的分配，使得在異構網絡中簇頭的分布更為均勻，各節點的能量能被充分利用，從而延長第一個節點的死亡時間，同時使傳輸到匯聚點的數據也大大的增多。

1)穩定期的比較

圖4　m=0.1,a=2時網絡的穩定期

圖4所示的是m=0.1，a=2，b=0.5時，各個協議網絡穩定期的曲線圖。當m=0.1，a=2時，參數b為集合A={0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8}中的任一值，在b的每個取值下分別進行30次仿真測試，并計算每個取值對應的第一個節點死亡輪數的平均值，具體結果如表2所示。

表2　當m=0.1,a=2時各協議的輪數

由表2計算可得， PHC協議的穩定期比Z-SEP協議的穩定期延長約1.55%～7.11%。

圖5　m=0.2，a=1時網絡的穩定期

如圖5所示的則是m=0.2，a=1，b=0.7時，各個協議網絡穩定期的曲線圖。當m=0.2，a=1時，參數b為集合B={0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7}中的任一值，對b的每個取值分別進行30次仿真測試，并計算每個取值對應的第一個節點死亡輪數平均值，具體結果如表3所示。

表3　當m=0.2,a=1時各協議的輪數

由表3計算可得， PHC協議的穩定期比Z-SEP協議的穩定期延長約1.03%～5.02%。

通過表2和3觀察可以看出PHC協議的穩定期比Z-SEP協議、SEP協議和LEACH協議的都長，證明了PHC協議比Z-SEP協議、SEP協議和LEACH協議更加穩定，PHC協議性能優越性得以證明。實驗表明，隨著參數b增加，PHC協議的穩定期也隨之增長。

2)吞吐量

圖6　m=0.1,a=2時各協議的網絡吞吐量

如圖6所示的是m=0.1，a=2，b=0.8時，各個協議網絡吞吐量的曲線圖。當m=0.1，a=2時，在參數b屬于集合A的情況下，對b的每個取值分別進行30次仿真測試，并計算出在每個取值下節點成功傳輸到匯聚點的數據總量平均值，具體結果如表4所示。

表4　當m=0.1,a=2時各協議的數據總量

由表4計算可得，PHC協議成功傳輸到匯聚點的數據比Z-SEP協議的數據多約7.14%～60.93%，即PHC協議的吞吐量更大。

圖7　m=0.2，a=1時各協議的網絡吞吐量

如圖7所示的則是m=0.2，a=1，b=0.6時，各個協議網絡吞吐量的曲線圖，當m=0.2，a=1時，參數b為集合B中的任一值，對b的每個取值分別進行30次仿真測試，并計算出每個取值相應的節點成功傳輸至匯聚點的數據總量平均值，具體結果如表5所示。

表5　當m=0.2,a=1時各協議的數據總量

由表5計算可得，PHC協議成功傳輸到匯聚點的數據比Z-SEP協議的數據多約2.29%～23.70%。

通過表4和5觀察可以看出PHC協議的吞吐量比這些協議都大，由此可證PHC協議比其他幾個協議的性能都好。實驗表明，隨著參數b增加，PHC協議的吞吐量也隨之增加。

由于傳感器節點經常被部署在條件惡劣甚至人類無法接近的區域，如深海或深井等。因而只能采取播撒或者隨機部署的方式，導致網絡的整體性能難以得到保障。因此在這些情況下，提高網絡的性能也變得更加重要，所以在遇到這些情況的時候，使用PHC協議可以根據具體的情況增加參數b的值延長穩定期，提高吞吐量，增強網絡的性能。

5結束語

本文設計了一種新的分區異構分簇協議(PHC協議)，它是一種3級異構協議，核心思想是將3種不同能量的節點分別放在不同的區域，其中普通節點部署在0區直接將數據傳輸到匯聚點，高級節點的一半分別部署在1區和2區，中間節點的一半分別部署在3區和4區，并在這些區域中根據節點產生的隨機數選舉簇頭，有效解決了在異構網絡中簇頭分布不均勻的問題，同時通過對節點高效合理的分配，可以充分利用網絡中節點的能量，達到均衡節點能量消耗的效果。研究結果表明，與已有的分簇協議、LEACH協議、SEP協議和Z-SEP協議相比較，PHC協議延長了網絡的穩定期，提高了網絡的吞吐量。

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責任編輯：許盈

Research on partition heterogeneous clustering protocol of wireless sensor networks

HU Chun′an, ZHANG Mengting

(SchoolofInformationEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,JiangxiGanzhou341000,China)

Abstract:Aiming at the problem of energy constraints and unbalanced energy consumption of routing protocols in wireless sensor network, a novel partition heterogeneous clustering protocol of wireless sensor networks (PHC protocol) is proposed. The core of the protocol is the node of three kinds of different energy levels according to the different energy are deployed in regions of different distances, clustering technology is utilized for higher energy the advanced nodes and intermediate nodes transmit data through the cluster head directly to sink, the ordinary nodes with lower energy transmit data directly to the sink. The simulation results show that, the protocol can distribute the cluster head evenly through the reasonable allocation of the nodes, better balance the energy consumption of nodes, prolong stable period of the network and improve the data throughput of the network, so as to improve the overall performance of the network.

Key words:wireless sensor networks; routing protocols; partition heterogeneous cluster; stable period; throughput

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.011

基金項目：國家自然科學基金項目(11461031)

作者簡介：

胡春安(1966— )，女，副教授、碩士生導師，主要研究方向為信息安全、無線傳感器網絡；

張夢婷(1990— )，女，碩士生，主研無線傳感器網絡。

收稿日期：2015-11-18

文獻引用格式：胡春安，張夢婷. 無線傳感器網絡的分區異構分簇協議研究[J].電視技術，2016，40(5)：48-53.

HU C A，ZHANG M T. Research on partition heterogeneous clustering protocol of wireless sensor networks[J].Video engineering，2016，40(5)：48-53.