基于非均勻分簇的WSNs路由協(xié)議

高巖

摘要：在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)間能量消耗不平衡導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過(guò)早死亡。為了解決這一問(wèn)題，提出一種基于非均勻分簇的路由協(xié)議NCRP。首先，在選舉候選簇頭的過(guò)程中加入節(jié)點(diǎn)的能量因子改進(jìn)閾值公式。其次，在計(jì)算簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑時(shí)加入節(jié)點(diǎn)度因子和距離因子。最后，在數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)定義了能耗函數(shù)。仿真結(jié)果表明，NCRP協(xié)議可以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);非均勻分簇;路由協(xié)議;剩余能量;鄰居節(jié)點(diǎn)

Abstract： In WSNs， the premature death of the network is caused by the imbalance of energy consumption among nodes. In order to solve this problem， a routing protocol based on non-uniform clustering， NCRP， is proposed. First， the energy factor improvement threshold formula of the node is added in the process of electing candidate cluster heads. Secondly， the node degree factor and distance factor are added when calculating the cluster head competition radius. Finally， the energy consumption function is defined at the data transmission node. The simulation results show that the NCRP protocol can balance the network energy consumption and prolong the network lifetime.

Key words： wireless sensor network; uneven clustering; routing protocol; remaining energy;neighbor node

隨著基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）的傳感器技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及低功耗射頻設(shè)計(jì)的快速發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器以?xún)r(jià)格低廉、功耗較低的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城市綜合管廊監(jiān)控、煤礦安全、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中[1]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身受電源存儲(chǔ)能力的限制且一般部署于難以二次回收的地方，因此如何有效提高傳感器節(jié)點(diǎn)的能量利用率成為重要的研究方向。文獻(xiàn)[2]提出的LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）協(xié)議通過(guò)選舉簇頭節(jié)點(diǎn)成簇，簇內(nèi)收集處理信息的方式延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。但是簇頭的選舉方式是隨機(jī)的使得簇頭分布不均勻，一些能量較低的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)反而會(huì)加速節(jié)點(diǎn)的死亡。基于LEACH協(xié)議文獻(xiàn)[3]提出的EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）協(xié)議，在分簇過(guò)程中賦予節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)半徑，使靠近Sink節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑較小從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇。但是，簇頭的競(jìng)爭(zhēng)簇半徑只考慮了距離因素，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)能量以及鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

本文針對(duì)LEACH、EEUC協(xié)議的不足提出了NCRP協(xié)議（Non-uniform clustering routing protocol）。在簇頭的選舉過(guò)程中綜合考慮節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的距離、節(jié)點(diǎn)的剩余能量、節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。在數(shù)據(jù)傳輸階段的中繼節(jié)點(diǎn)的選擇中，考慮節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的距離、中繼節(jié)點(diǎn)的能量選出最佳中繼節(jié)點(diǎn)。

1 網(wǎng)絡(luò)與能耗模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)中成員節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳通信的方式與簇通信，簇頭通過(guò)多跳通信的方式與Sink節(jié)點(diǎn)通信。

本文的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)如下[4]：

1） 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域由m個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站組成，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布在N×M的區(qū)域內(nèi);

2） 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有障礙物和噪音干擾，基站能量充足;

3） 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池容量、存儲(chǔ)能力、通信的范圍、感知范圍相同;

4） 傳感器節(jié)點(diǎn)是靜止的且位置信息已知。無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率可控，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要調(diào)整自身發(fā)射功率。

1.2 網(wǎng)絡(luò)能耗模型

3 EEUC協(xié)議

EEUC協(xié)議是基于非均勻分簇的路由協(xié)議，它采用簇內(nèi)單跳通信，簇間多跳通信的方式與Sink節(jié)點(diǎn)通信。在選舉期間與LEACH協(xié)議類(lèi)似，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0到1的隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)小于設(shè)置的閾值一般為0.4，則成為候選簇頭，候選簇頭選舉計(jì)算自身的簇競(jìng)爭(zhēng)半徑。簇競(jìng)爭(zhēng)半徑與距Sink節(jié)點(diǎn)的距離有關(guān)，從而形成非均勻分簇[3]。簇競(jìng)爭(zhēng)半徑的計(jì)算方式如下：

4 NCRP協(xié)議

4.1 閾值改進(jìn)

4.2 簇競(jìng)爭(zhēng)半徑改進(jìn)

4.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段

5 仿真及結(jié)果分析

圖1為網(wǎng)絡(luò)生存節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨時(shí)間變化圖，EEUC和NCRP協(xié)議中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的輪次分別為374輪和510輪，網(wǎng)絡(luò)中一半節(jié)點(diǎn)死亡輪次分別為523輪和637輪，節(jié)點(diǎn)全部死亡的輪次分別為579輪和710輪。由實(shí)驗(yàn)仿真可以得出NCRP協(xié)議的第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間和節(jié)點(diǎn)全部死亡的時(shí)間都是優(yōu)于EEUC協(xié)議的，可見(jiàn)NCRP協(xié)議是可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的。

6 結(jié)論

本文針對(duì)LEACH協(xié)議和EEUC協(xié)議的不足。首先，通過(guò)在節(jié)點(diǎn)選舉備選簇頭的過(guò)程中考慮節(jié)點(diǎn)的能量因子改進(jìn)了選舉的閾值公式。其次，在備選簇頭選舉成為最終簇頭的過(guò)程中綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度因子和距離因子改進(jìn)了簇頭的競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算公式。最后，在數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)中選取下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)定義了能耗函數(shù)，使得節(jié)點(diǎn)間的能耗更加均衡。通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，NCRP協(xié)議可以均衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

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