基于區域劃分的WSNs雙簇頭路由協議

鄭文軍

摘要：在無線傳感網絡中，會出現簇頭節點負載過重的現象。為了解決這個問題，提出了一種基于區域劃分的雙簇頭路由協議RDCH。首先，該協議根據節點與基站之間的距離劃分區域，減少節點傳輸時的能量損耗。其次，在每個簇群內選舉主副雙簇頭，解決了單個簇頭負載過重問題。仿真結果也表明，RDCH協議能夠均衡節點負載。

關鍵詞： 無線傳感器網絡; 雙簇頭; 路由協議

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0045-02

Abstract：In WSNs， cluster head nodes may be overloaded. In order to solve this problem， a dual cluster head routing protocol RDCH based on region partitioning is proposed. First， the protocol divides the area according to the distance between the node and the base station， reducing the energy loss when the node transmits. Secondly， the primary and secondary cluster heads are elected in each cluster， which solves the problem of excessive load on a single cluster head. The simulation results also show that the RDCH protocol can balance the node load.

Key words： wireless sensor network; dual cluster head; routing protocol

1 引言

在WSNs中，由于傳感器節點一般部署的環境比較惡劣，難以二次回收且傳感器節點能量有限，那么如何有效提高節點的能量利用率是我們研究的一個重點方向。在文獻[1]中就提出了一種層次型路由協議LEACH，通過成簇的方式來采集與轉發數據，能夠有效延長網絡的生命周期。但是LEACH協議在簇頭選擇時沒有考慮簇頭的能量，會使得能量較低的節點擔任簇頭，加快了簇頭的死亡速度。

本文針對LEACH的不足之處提出了RDCH路由協議。通過在網絡中尋找主副簇頭分別負責數據的收集與轉發。根據節點剩余能量來選擇主簇頭，根據剩余能量和距離基站的距離來選擇副簇頭。主簇頭和副簇頭相互協作，能夠有效緩解簇頭負載，延長網絡生命周期。

2 系統模型

假設將傳感器節點部署在一個半徑為[R=120m]的圓形監測區域內，網絡只有一個靜態基站且位于圓心處，用于接收和處理源節點上傳的數據。本文采用與文獻[2]相同的能耗模型。當一個節點向相距為d的另一個節點發送l bit （一般l=4000bit）數據時，無線電消耗的能量定義為：

其中[Eelec]表示發送1 bit數據時節點內部電路所消耗的能量，[Eelec=50nJ/bit]，[εfs]和[εmp]為信號放大功率，[εfs=10pJ/bit/m2]，[εmp=0.0013pJ/bit/m4]。通信閾值[d0=87.7m]，當[d

3 RDCH方案

3.1 網絡劃分階段

為了均衡網絡能耗，根據節點距離基站的距離，網絡被均勻地劃分成若干個同心圓環。同心圓的半徑與各層環之間的間距w的關系為：[ri=i×w]，其中i表示由內向外的第i個同心圓。整個網絡被劃分成[Rw]個同心圓。根據能耗模型可知，在網絡劃分的時候，為了降低能耗，相鄰兩層環之間的最大間距應小于[d0]，即[2w

3.2 雙簇頭選擇階段

首先，在選擇主簇頭時需要保證所選簇頭剩余能量較大。每一輪將競爭簇內的節點按剩余能量大小進行排序，選擇剩余能量最大的作為主簇頭。其次，在選擇副簇頭時，應該考慮到副簇頭的剩余能量以及副簇頭距離主簇頭以及基站之間的距離。本文根據這兩個影響因素設計副簇頭的代價函數如下：

其中：[dchj，CHi]表示副簇頭與主簇頭之間的距離，[chj，BS]表示副簇頭與基站之間的距離，[E（chj）]表示副簇頭的剩余能量。[α、β、γ]是各個因素所占的權重比例。

3.3數據轉發階段

由于部分節點距離基站較遠，故本文采用多跳的方式來轉發數據。簇群形成之后，外層環內非簇頭節點將數據發送給所在簇群的主簇頭節點，主簇頭將接收到的數據融合后轉發給所在簇群內的副簇頭 ，副簇頭再將接收到的數據發送給內層環內的下一跳副簇頭節點，最終將數據發送到基站。整個過程中，主簇頭只負責接收簇內簇頭普通節點的數據并將數據發送給副簇頭，副簇頭與副簇頭通信，負載簇間數據的轉發。

4 仿真及結果分析

在本節中，通過MATLAB對RDCH和LEACH協議進行仿真，以網絡中節點剩余數量和網絡總剩余能量為標準來衡量算法的性能。為了方便仿真，假設有18個初始能量[E0=1J]的節點隨機分布在面積為[πR26]的圓形監測區域中。

如圖所示，與LEACH協議相比，應用本文提出的RDCH算法時，隨著時間的推移，網絡中的節點存活數量更多，第一個死亡節點出現的時間也更晚，且在2200輪左右時，大量節點同時死亡，這說明RDCH算法能夠有效地均衡網絡中節點的能量。

5 結論

本文通過將區域劃分和雙簇頭相結合的方法來解決網絡簇頭負載過重而提前死亡的問題。首先劃分網絡區域，約束通信距離，減少了簇間傳輸時能量損耗。其次，在中間各層采用雙簇頭方法：主簇頭負載簇間數據的收集，副簇頭負載簇間的數據轉發。通過仿真發現，EDCH能夠均衡網絡中節點負載，延長網絡生存時間。

參考文獻：

[1] Lalith Yadav， Ch. Sunitha， Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy in WSN （LEACH）， International Journal of Computer Science， Networking， vol. 5， 2014.

[2] 侯華，劉超，周武旸.能量高效均衡的動態分簇路由設計[J].北京郵電大學學報，2013，36 （03）：54-59.

[3] 李雙雙，楊文忠，吳向前.基于非均等分區的無線傳感器網絡路由協議[J].計算機應用， 2016（11）：3010-3015.

[4] 尚靜， 董增壽， 康琳. 基于非均勻分環與最小通信代價的路由算法[J]. 傳感技術學報， 2018.

【通聯編輯：代影】