基于簇頭距離的網絡路由協議優化

趙錦航

（中國人民解放軍94535部隊，江蘇 徐州 221000）

1 基于簇頭距離的網絡路由協議優化

1.1 網絡簇頭距離信道選擇優化

網絡路由協議優化以降低網絡能耗為目的，在初始化階段形成網絡簇頭，并在節點傳輸每輪開始時確定其是否成為簇頭[1-3]。路由協議以循環方式隨機選擇簇頭，將整個網絡能量負載平均分配給每個傳感器節點，從而達到降低網絡能量消耗、提高網絡整體生存時間的目的。網絡分簇結構如圖1所示。

圖1 網絡路由協議分簇結構圖

在網絡初始化階段，從每個節點在0～1中選取一個隨機數。若隨機選取小于每輪限定值，則將這一節點做成簇頭。在保證節點隨機性的同時，要確保網關節點與簇頭間數據傳輸成本能夠均勻分攤至所有傳感器節點，公式為：

式中，p為節點成為簇頭的概率，G為最后1/p輪中沒有成為簇頭的節點集。當r=0時，即在第0輪時每個節點都有概率p的可能性成為簇頭。在第0輪時，成為簇頭的節點在接下來1/p輪中不會再成為簇頭。但是，經過1/p-1輪后，當T=11時，沒有成為過簇頭的節點將會成為簇類節點。經過1/p輪后，所有節點將再次公平競爭當選簇頭。在隨機產生簇頭后，再向網絡廣播分簇信息，告知其他節點形成一個新的簇首信息。

對無線信號多徑衰減信道與自由空間信道進行描述，根據網絡路由協議發送節點距離的不同選擇信道。

分別發送與接收長度為p的數據包時，能耗為：

1.2 路由協議簇頭數量優化

網絡路由協議簇頭形成周期分別為簇的建立、簇間路由建立以及數據傳輸3個階段，從而選擇路由協議簇頭數量。根據節點確定最優簇頭數，并對網絡節點進行分簇劃分。每個分簇前一輪簇頭節點根據上輪采集的成員節點信息，按照簇頭形成規律，以成簇形式向分簇其余節點廣播。假設整體網絡區域中有q個分簇區域，其中每個區域中含有N/q個節點。在數據傳輸過程中，簇頭會在節點間通信、簇內數據融合以及接收數據等多方面存在能量消耗。由于每輪生成簇具有一定隨機性，可能會出現簇頭數目不固定的情況，且由于傳感器節點分布隨機性，簇頭周圍節點密度不同，節點憑借接收到簇頭當選信息強弱入簇，會存在極大簇與極小簇情況。同一數量節點在網絡覆蓋范圍內均勻分布，基站位于網絡中心條件下，分簇結果如圖2所示。

圖2 極大極小簇的分簇結果

在圖2（a）中，所劃分的簇頭存在分布不均勻的情況，大部分區域形成了極小簇情況。這種情況導致較多簇頭與基站間距離較遠，增加了每輪能耗。而部分極大簇的出現，導致每個簇內成員節點過多，增加了簇頭與接收成員的節點信息能耗。部分節點由于能耗過大較早死亡，這種分簇結果導致網絡內能耗分布簇間不均勻。圖2（b）中分簇較少，但簇多時會出現極大簇，引起網絡能耗分布不合理，導致網絡生存周期縮短，需要優化成簇過程，使成簇盡可能均勻。每個分簇所消耗的能量分為節點消耗能量和簇頭消耗能量兩部分。由于每個簇中只有一個簇頭，因此每個簇中含有N/q-1個成員節點。在計算每個簇的總能耗量時需考慮這一點，才能獲取最佳簇頭數。節點間只需要采集范圍內數據，節點能耗為：

式中，dCH表示節點到該分簇所屬簇頭間的平均距離。

若區域內節點分布密度為p(x,y)，其值為則期望值為：

在該階段，每個分簇所消耗的能量包括成員節點消耗能量和簇頭消耗能量兩部分。由于每個簇中只有一個簇頭，因此每個簇中含有N/q-1個成員節點。每個簇總能耗為：

協議中，每個網絡劃分為q個分簇區域，從而得到數據傳輸能耗為：

根據式（8）可得到最佳簇頭數，從而滿足網絡最小能耗要求。

1.3 路由協議簇頭節點優化

確定最優簇頭數量后，需要優化路由協議中簇頭節點，對延長整體網絡使用壽命具有重要意義。路由協議簇頭節點優化，能夠減少網絡在每輪數據通信中消耗的能量，并且使能量平均分配到每個傳感器節點上。假設每個簇中含有節點數量相同，即每個簇中含有一個簇頭節點，其余節點全部為非簇頭節點。傳感器節點均勻分布在L區域內，抽取該區域內一個圓形區域，其圓形半徑為其中包含節點密度為P=1/L2。由于每個簇頭節點能量消耗多集中在數據接收與發送中，因此如果簇頭節點與基站之間的距離較遠，則數據傳輸需要消耗較多的能量。

在M個傳感器、a個簇的網絡路由協議中，任意一個簇頭節點所消耗能量為：

式中，n為數據比特數，dbs為簇頭到基站距離，Ebit為數據融合消耗能量。

簇頭到基站距離可計算為：

經化簡計算，得到整體網絡能耗為：

式中Enet表示整體網絡消耗能量，Ec表示發射機電路消耗的能量。

根據計算結果，得到優化簇頭節點為：

式（12）中，e表示傳輸距離。網絡初始化后獲取網絡具體數據，得到網絡簇頭節點最佳范圍，并控制其保持在路由協議下簇頭數范圍內，從而達到減少能耗的目的。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

為評價本文方法性能，設計仿真實驗，對比優化前后信號傳輸總耗，從而驗證優化后的整體性能變化。選擇MATLAB仿真實驗平臺運行仿真實驗。設置在面積為100×100的區域內，含有隨機100個網絡節點，每個節點數據包大小為2 000 bit，去簇頭數據壓縮率為0.7。實驗中有2 000 bit數據發送到簇頭后，簇頭對數據進行處理，并將處理后的1 400 bit數據傳送至簇頭中繼，傳輸能量為50 nJ/bit，每條消息數據的融合消耗能量為5 J/bit。在對同一實驗數據處理后進行100次試驗，對比優化前后網絡總能耗。

2.2 實驗結果分析

實驗中，由于網絡路由協議中出現一個探測節點死亡后，將會出現一片區域成為信息盲區，因此為方便結果數據統計，將一個節點死亡時間作為比較依據。網絡路由協議優化前后的總能耗對比情況，如圖3所示。

圖3 優化前后網絡路由協議總能耗對比

如圖3所示，優化后網絡路由協議能夠有效均衡網絡能量，滿足網絡負載均衡，證明了基于簇頭距離的網絡路由協議優化方法的有效性。

3 結 論

基于簇頭距離的網絡路由協議優化過程中，針對現有網絡路由協議缺陷進行改進，提出了一種能耗較低的網絡路由協議運行方式。改進后的協議分簇規模更加均衡，避免了協議中隨機選取導致分簇節點數量距離較大的缺點，因此可有效延長網絡節點死亡時間，減少不同層次簇頭能耗差距，從而完成整體優化。