能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議

劉偉， 杜佳鴻， 賈素玲， 蒲菊華，*

(1. 北京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 100083； 2. 深圳北航新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 深圳 518057;3. 北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 北京 100083)

微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算技術(shù)的提高，推動(dòng)了多功能的低功耗傳感器的進(jìn)步，使其在自身微小體積內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)采集信息、處理數(shù)據(jù)和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，其末梢是可以感知外部世界的廉價(jià)傳感器，目的是共同感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息。

WSNs作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，待發(fā)現(xiàn)和研究的關(guān)鍵技術(shù)有很多，主要包括：定位技術(shù)、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、時(shí)間同步以及數(shù)據(jù)融合等[1]。其中核心是路由技術(shù)，由于WSNs受環(huán)境以及自身約束的影響，不同實(shí)際情況中的路由協(xié)議差別可能很大，因此對(duì)于路由協(xié)議，沒有一個(gè)通用的方法，而是根據(jù)具體的要求提出獨(dú)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

從路由結(jié)構(gòu)要素出發(fā)，可以設(shè)計(jì)為2種路由協(xié)議：平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議，其中層次路由協(xié)議又叫做分簇路由協(xié)議。前者設(shè)計(jì)簡單，健壯性良好，但建立、維護(hù)路由的開銷大，適合小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；后者擴(kuò)展性好，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，且簇首節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，其失效將導(dǎo)致路由失敗[3]。分簇式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于實(shí)際中的分布式算法，因此國內(nèi)外有許多科研人員對(duì)WSNs中的分簇路由協(xié)議進(jìn)行了研究，并提出了許多算法、協(xié)議[4]。

低功耗自適應(yīng)集簇分層型(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH)協(xié)議是最典型的分簇算法，網(wǎng)絡(luò)生命的時(shí)間被分為多個(gè)回合(rounds)，每個(gè)回合包括2個(gè)階段：簇建立階段、數(shù)據(jù)傳輸階段。然而LEACH算法在很多方面還存在的不足，簇首選擇只是隨機(jī)選擇，非簇首節(jié)點(diǎn)在選擇加入簇時(shí)，僅依據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度。國內(nèi)外因此已經(jīng)采取了很多策略進(jìn)行改進(jìn)，如對(duì)DCHS[5]、LEACH-improve[6]和LEACH-CH[1，7]都提出了一些改進(jìn)。之后，固定簇半徑的分簇協(xié)議(Hybrid Energy-Efficient Distributed clustering, HEED)[8]算法又被提出，HEED考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和通信代價(jià)2個(gè)指標(biāo)來選舉簇首節(jié)點(diǎn)。然而在實(shí)際情況中，由于基站一般離整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的距離很遠(yuǎn)，頻繁多次地遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)加大節(jié)點(diǎn)的消耗能量，為了解決這些問題，國內(nèi)外的學(xué)者也提出了一些改進(jìn)算法，如PEGASIS[9]、TEEN[10]、EEUC[11]、OHEED[1，12]和HEED-FT[1，13]，但這些協(xié)議的一個(gè)主要弊端都是簇首節(jié)點(diǎn)的能量消耗過大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生存周期變短。針對(duì)具體環(huán)境，Mini等[14]針對(duì)目標(biāo)覆蓋問題，使用人工蜂群算法和粒子群優(yōu)化算法，解決了節(jié)點(diǎn)部署問題，以使?jié)M足覆蓋要求的最少節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

通用設(shè)計(jì)的目標(biāo)一般需要考慮以下的設(shè)計(jì)：算法簡潔性、算法可靠性、網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性、服務(wù)質(zhì)量及優(yōu)化能力[15]。目前的分簇路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能耗均衡與降低能耗方面還有較大的提升空間，雖然部分協(xié)議能夠得到分布均勻的簇首節(jié)點(diǎn)，但是其在簇建立階段犧牲了較多的能耗與較大的時(shí)延，在節(jié)點(diǎn)通信開銷方面仍存在改進(jìn)的方法。因此，針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的能量有效分簇路由協(xié)議——BCCP協(xié)議。

1 BCCP協(xié)議整體設(shè)計(jì)

在LEACH、HEED路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，BCCP協(xié)議還考慮了以下相關(guān)因素：①節(jié)點(diǎn)間位置相關(guān)性，在WSNs中，節(jié)點(diǎn)間位置相距近，距離小，其通信能量消耗也小。②節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性，傳感器節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)、感知類型與其他鄰近節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)體現(xiàn)的價(jià)值相似。成簇時(shí)應(yīng)獲得更多的數(shù)據(jù)相似節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合效率才會(huì)更高，數(shù)據(jù)量才會(huì)降低。③節(jié)點(diǎn)間協(xié)同性，WSNs中的節(jié)點(diǎn)不是各自獨(dú)立的，網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)點(diǎn)間合作才能產(chǎn)生具有價(jià)值的數(shù)據(jù)。具有協(xié)同性的節(jié)點(diǎn)應(yīng)在同一簇內(nèi)，以降低數(shù)據(jù)傳輸能耗。

當(dāng)前的大多數(shù)分簇路由協(xié)議在進(jìn)行簇首節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)一般的選舉因素只是剩余能量，沒有考慮節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的其他相關(guān)性因素[16]。因此，本文提出了一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的能量有效分簇路由協(xié)議——BCCP協(xié)議，該協(xié)議主要分為2個(gè)部分：第1部分為能耗均衡分簇算法BCCP-EBA，該算法是BCCP協(xié)議的主要支撐，考慮了節(jié)點(diǎn)自身的剩余能量、節(jié)點(diǎn)能耗以及節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)性來選擇簇首節(jié)點(diǎn)和剩余節(jié)點(diǎn)入簇，使得簇首節(jié)點(diǎn)選舉階段時(shí)間短、開銷小。第2部分為降低能耗分簇算法BCCP-ESA，該算法是對(duì)BCCP-EBA能耗均衡分簇算法的完善，考慮了節(jié)點(diǎn)間位置相關(guān)性，能耗協(xié)同性作為節(jié)點(diǎn)入簇的依據(jù)，以及數(shù)據(jù)相似性和節(jié)點(diǎn)能耗作為簇內(nèi)通信的依據(jù)，以此降低簇內(nèi)通信以及網(wǎng)絡(luò)整體的能耗。圖1展示了BCCP協(xié)議的整體設(shè)計(jì)。

與LEACH、HEED等路由協(xié)議相比，BCCP協(xié)議使用一種基于節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的新穎的簇建立方式與數(shù)據(jù)傳輸方式，可以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗以及延長節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的目的。

圖1 BCCP協(xié)議整體設(shè)計(jì)Fig.1 Integrated design for BCCP

2 能耗均衡分簇算法BCCP-EBA

為了實(shí)現(xiàn)能耗均衡的WSNs，本文提出了一種基于節(jié)點(diǎn)間位置相關(guān)性與節(jié)點(diǎn)剩余能量的WSNs能耗均衡分簇算法BCCP-EBA?；谠撍惴ǖ姆执芈酚蓞f(xié)議按照輪次進(jìn)行工作，簇建立階段分為多個(gè)迭代處理進(jìn)行，一個(gè)迭代代表著一個(gè)節(jié)點(diǎn)接聽全部鄰居節(jié)點(diǎn)信息的過程。該分簇算法將節(jié)點(diǎn)間的位置相關(guān)性加入至分簇路由協(xié)議中，選取分布均勻的簇首節(jié)點(diǎn)，選取通信能耗低的簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)加入簇。

節(jié)點(diǎn)間的位置相關(guān)性體現(xiàn)于節(jié)點(diǎn)間的通信能耗之中，位置遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間通信能耗大。因此，可以將節(jié)點(diǎn)與周圍鄰居節(jié)點(diǎn)間的通信層次作為能耗判斷參數(shù)。任意節(jié)點(diǎn)擁有多個(gè)通信能級(jí)，該節(jié)點(diǎn)通過變換通信能級(jí)與遠(yuǎn)近不一的鄰居節(jié)點(diǎn)通信，即與該節(jié)點(diǎn)位置近的節(jié)點(diǎn)選擇低通信能級(jí)，與該節(jié)點(diǎn)位置遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)選擇高通信能級(jí)。使用節(jié)點(diǎn)最小通信能耗關(guān)系式獲得該節(jié)點(diǎn)與所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的最小能量消耗為

(1)

式中：M為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Mi為節(jié)點(diǎn)A與第i個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信時(shí)使用的通信能級(jí)。

協(xié)議同樣采用節(jié)點(diǎn)自身剩余能量與節(jié)點(diǎn)間的位置相關(guān)性作為分簇參數(shù)選舉簇首節(jié)點(diǎn)以及選擇加入簇。參考節(jié)點(diǎn)自身剩余能量來選擇隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)的概率，這樣會(huì)增大剩余能量大的節(jié)點(diǎn)臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)的概率。通過節(jié)點(diǎn)自身剩余能量與周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量共同決定節(jié)點(diǎn)成為臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)的概率，以此增加簇建立階段初始時(shí)的臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)目，加速簇首節(jié)點(diǎn)選舉的過程。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)的概率Cprob計(jì)算式為

(2)

式中：Cprob為初始成為臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)的百分比；Eresidual為節(jié)點(diǎn)的剩余能量；Emax-ner為該節(jié)點(diǎn)的鄰居中剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)的剩余能量值；Pmin為Cprob的最小值。節(jié)點(diǎn)以Cprob與隨機(jī)數(shù)Ran進(jìn)行比較，若大于或者等于Ran，則該節(jié)點(diǎn)成為臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)，反之則為普通節(jié)點(diǎn)。

在選擇完最終簇首節(jié)點(diǎn)后，非簇首節(jié)點(diǎn)直接在鄰居簇首節(jié)點(diǎn)中選擇通信能耗最小的簇首節(jié)點(diǎn)作為自己加入的簇首節(jié)點(diǎn)。

3 降低能耗分簇算法BCCP-ESA

為了進(jìn)一步降低簇首節(jié)點(diǎn)的能耗以及簇內(nèi)通信能耗，本文對(duì)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)值相似性、協(xié)同性進(jìn)行了研究，提出了一種降低能耗分簇算法BCCP-ESA。

該算法在能耗均衡分簇算法BCCP-EBA的基礎(chǔ)上改進(jìn)分簇路由協(xié)議，將節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性引入簇首節(jié)點(diǎn)選舉階段、節(jié)點(diǎn)入簇階段，以此選擇通信能耗小且數(shù)值相似的簇首節(jié)點(diǎn)；將節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性引入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸階段，以此降低簇內(nèi)通信數(shù)據(jù)量；將節(jié)點(diǎn)間協(xié)同性引入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸階段，以此降低簇內(nèi)、簇間通信數(shù)據(jù)量。

在能耗均衡分簇算法BCCP-EBA的能量消耗計(jì)算中加入數(shù)值差異通信能耗，以此加入節(jié)點(diǎn)間數(shù)值相似性對(duì)簇首節(jié)點(diǎn)選舉以及節(jié)點(diǎn)選擇加入簇的影響。引入數(shù)值差異通信能耗后的節(jié)點(diǎn)通信能耗計(jì)算式為

(3)

式中：α為節(jié)點(diǎn)間位置相關(guān)性對(duì)通信能耗的影響因子；β為節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性對(duì)通信能耗的影響因子，且α+β=1;Ai為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與計(jì)算節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)傳輸?shù)臄?shù)值平均位數(shù)。

簇首節(jié)點(diǎn)選擇完成后，對(duì)于任意協(xié)同的節(jié)點(diǎn)，若該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)具有協(xié)同性，該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中存在最終簇首節(jié)點(diǎn)且此簇首節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)具有協(xié)同性，則該節(jié)點(diǎn)選擇此簇首節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)；若該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中存在多個(gè)最終簇首節(jié)點(diǎn)，則選擇通信能耗小的簇首節(jié)點(diǎn)作為自己的簇首節(jié)點(diǎn)；若該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中不存在與該節(jié)點(diǎn)具有協(xié)同性的簇首節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)在協(xié)同節(jié)點(diǎn)中選擇與簇首節(jié)點(diǎn)通信能耗最小的節(jié)點(diǎn)作為協(xié)同中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，并將此中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)作為自己加入的簇首節(jié)點(diǎn)。

將降低能耗分簇算法BCCP-ESA加入分簇路由協(xié)議中，可以降低簇內(nèi)通信的數(shù)據(jù)量，降低簇間通信的數(shù)據(jù)量，以此保護(hù)節(jié)點(diǎn)能耗，延長網(wǎng)路偶的生命周期。

對(duì)于BCCP-ESA算法，在簇建立階段，利用式(3)修改節(jié)點(diǎn)間的通信能耗，修改通信能耗計(jì)算后，利用能耗均衡分簇算法BCCP-EBA的分簇機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點(diǎn)選擇及節(jié)點(diǎn)選擇入簇產(chǎn)生影響。在數(shù)據(jù)傳輸階段，進(jìn)行簇內(nèi)通信時(shí)直接使用節(jié)點(diǎn)間數(shù)值差異傳輸即可。

簇首節(jié)點(diǎn)選舉完成后，利用節(jié)點(diǎn)間協(xié)同性選擇協(xié)同節(jié)點(diǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)在選擇加入通信能耗最小的簇首節(jié)點(diǎn)時(shí)，按照如下步驟進(jìn)行：

步驟1該節(jié)點(diǎn)感知周圍存在的簇首節(jié)點(diǎn)以及與該節(jié)點(diǎn)具有協(xié)同性的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)至步驟2。

步驟2判斷該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中是否存在與該節(jié)點(diǎn)協(xié)同的節(jié)點(diǎn)，若不存在，則轉(zhuǎn)至步驟3，若存在，轉(zhuǎn)至步驟4。

步驟3在鄰居簇首節(jié)點(diǎn)中選擇通信能耗最小的簇首節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)加入的簇首節(jié)點(diǎn)，若該節(jié)點(diǎn)被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋，則結(jié)束。

步驟4判斷該節(jié)點(diǎn)的鄰居協(xié)同節(jié)點(diǎn)中是否存在簇首節(jié)點(diǎn)，若存在，轉(zhuǎn)至步驟5，否則，轉(zhuǎn)至步驟6。

步驟5該節(jié)點(diǎn)將鄰居協(xié)同節(jié)點(diǎn)中的簇首節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)加入的簇首節(jié)點(diǎn)，若該節(jié)點(diǎn)被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋，則結(jié)束。

步驟6該節(jié)點(diǎn)在協(xié)同節(jié)點(diǎn)中選擇與簇首節(jié)點(diǎn)通信能耗最小的節(jié)點(diǎn)作為協(xié)同中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，并將此節(jié)點(diǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)加入的簇首節(jié)點(diǎn)，若該節(jié)點(diǎn)被最終簇首節(jié)點(diǎn)覆蓋，則結(jié)束。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在WSNs中，由于其自身的特點(diǎn)，對(duì)于大規(guī)模部署的WSNs，在真實(shí)物理環(huán)境的測(cè)量中很難實(shí)現(xiàn)，只能利用計(jì)算機(jī)的模擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)研究的協(xié)議、算法等進(jìn)行測(cè)試，對(duì)其性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。本文提出的BCCP分簇路由協(xié)議采用MATLAB平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1 仿真環(huán)境設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)的仿真基于MATLAB 7.1平臺(tái)上進(jìn)行，仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

仿真實(shí)驗(yàn)主要選擇了LEACH、HEED分簇路由協(xié)議與BCCP協(xié)議進(jìn)行比較，并且分別與BCCP協(xié)議中的能耗均衡分簇算法BCCP-EBA與降低能耗分簇算法BCCP-ESA進(jìn)行比較，驗(yàn)證算法的有效性，主要的指標(biāo)有簇建立消耗能量、網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)整體能耗。本文實(shí)驗(yàn)以50%的節(jié)點(diǎn)死亡作為網(wǎng)絡(luò)失效的標(biāo)志。

表1 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting of simulation environment

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了分析BCCP-EBA與BCCP-ESA對(duì)BCCP協(xié)議的影響，將BCCP協(xié)議分為3個(gè)版本：①能耗均衡分簇算法BCCP-EBA；②BCCP-VALUE，在BCCP-EBA基礎(chǔ)上加入節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性后實(shí)現(xiàn)的分簇路由協(xié)議；③BCCP-COO，在BCCP-EBA基礎(chǔ)上加入節(jié)點(diǎn)間協(xié)同性后實(shí)現(xiàn)的分簇路由協(xié)議。

為了對(duì)比節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性與節(jié)點(diǎn)間協(xié)同性對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響，在LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了如下2個(gè)協(xié)議：①LEACH-VALUE，在LEACH的基礎(chǔ)上加入節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性后實(shí)現(xiàn)的分簇路由協(xié)議；②LEACH-COO，在LEACH基礎(chǔ)上加入節(jié)點(diǎn)間協(xié)同性后實(shí)現(xiàn)的分簇路由協(xié)議。

4.2.1 BCCP-EBA協(xié)議仿真結(jié)果

LEACH、HEED和BCCP-EBA分簇路由協(xié)議在每軟次簇建立階段消耗的能量隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。圖中，橫坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)工作進(jìn)行的輪數(shù)，用來代表網(wǎng)絡(luò)工作的時(shí)間，縱坐標(biāo)為協(xié)議在簇建立階段消耗的能量。

圖2 簇建立階段消耗的能量對(duì)比Fig.2 Comparison of energy consumption for construction of clusters

由圖2可知，BCCP-EBA分簇路由協(xié)議在簇建立階段的能耗一直處于一個(gè)較低的水平；HEED分簇路由協(xié)議在存活節(jié)點(diǎn)較多時(shí)需要消耗較多的能量進(jìn)行分簇，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目小時(shí)，簇建立階段的能耗也較低；LEACH分簇路由協(xié)議中的分簇能耗較大，主要是因?yàn)槠浯貎?nèi)部存在個(gè)別成員節(jié)點(diǎn)與簇首節(jié)點(diǎn)距離過大，導(dǎo)致能耗過大。

LEACH、LEACH-COO、BCCP-EBA和BCCP-COO分簇路由協(xié)議的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨輪次的變化如圖3所示。圖中縱坐標(biāo)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。圖4中LEACH-COO分簇路由協(xié)議相對(duì)于LEACH協(xié)議，其生存時(shí)間得到了微小的提升；圖3中BCCP-COO分簇路由協(xié)議相對(duì)于BCCP-EDA協(xié)議，其生存時(shí)間得到了一定程度的提升，將網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間延長了5%左右。

LEACH、LEACH-COO、BCCP-EBA和BCCP-COO分簇路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)整體能耗隨輪次的變化曲線如圖4所示。圖4中在LEACH引入節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性要素后，其網(wǎng)絡(luò)整體能耗有了一定的改善，但是效果很不明顯；圖4中在BCCP-EBA分簇路由協(xié)議中引入節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性要素后，網(wǎng)絡(luò)整體能耗降低了5%左右。所以，引入節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性要素可以降低網(wǎng)絡(luò)的能耗，但是效果不明顯。

4.2.2 BCCP協(xié)議仿真結(jié)果

BCCP-EBA、BCCP-COO、BCCP-VALUE和BCCP分簇路由協(xié)議的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨軟次的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，在將能耗均衡分簇算法BCCP-EBA與降低能耗分簇算法BCCP-ESA進(jìn)行融合后，BCCP分簇路由協(xié)議能夠更好地進(jìn)行工作，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間均有改善。

圖4 網(wǎng)絡(luò)整體能耗對(duì)比Fig.4 Comparison of complete network energy consumption

圖5 BCCP-EBA、BCCP-COO、BCCP-VALUE和BCCP分簇路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)比Fig.5 Comparison of number of live nodes in network of BCCP-EBA，BCCP-COO，BCCP-VALUE and BCCP clustering routing protocol

BCCP-VALUE協(xié)議中節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)性α與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)相似性β在進(jìn)行分簇時(shí)的權(quán)重比例對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響如圖6所示。由圖6可知，節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)性對(duì)于網(wǎng)絡(luò)能耗的影響強(qiáng)于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)相似性，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)相似性為0.7時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。這是因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)的通信模型中，能耗與kd2成正比，k為數(shù)據(jù)量，即節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)相似性的影響因素；d為節(jié)點(diǎn)間距離，即為幾點(diǎn)位置相關(guān)性的影響因素。因此，節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響較大。

圖6 不同α,β取值對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響Fig.6 Influence of different α and β on network performance

5 結(jié) 論

1) 以節(jié)點(diǎn)間的位置相關(guān)性為依據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗，以節(jié)點(diǎn)自身的剩余能量與鄰居節(jié)點(diǎn)最大剩余能量計(jì)算隨機(jī)生成簇首節(jié)點(diǎn)的概率，以節(jié)點(diǎn)能耗為依據(jù)得到分布均勻的簇首節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)能耗作為節(jié)點(diǎn)入簇的依據(jù)，以此使得簇首節(jié)點(diǎn)選舉階段時(shí)間短、開銷小，初始時(shí)隨機(jī)生成的臨時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)目穩(wěn)定。

2) 以節(jié)點(diǎn)間的位置相關(guān)性和節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性為依據(jù)共同計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗，以節(jié)點(diǎn)能耗和協(xié)同性作為節(jié)點(diǎn)入簇的依據(jù)，以節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)相似性和協(xié)同性作為簇內(nèi)單跳通信的依據(jù)，以此降低簇內(nèi)通信、簇間通信的數(shù)據(jù)量，降低節(jié)點(diǎn)自身、網(wǎng)絡(luò)整體的能耗。