曹建玲，余 俊，王路路，任 智

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶， 400065)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)是由許多價(jià)格低廉、能量有限，且具有數(shù)據(jù)采集功能的節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)［1］。它們之間通過特定的協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作，完成特定的任務(wù)，在軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制、智能家居和城市交通等方面都有重要的使用價(jià)值，已成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，是21世紀(jì)新興的、且被美國(guó)商業(yè)周刊列為改變世界的十大技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于受到硬件條件的限制，使得節(jié)點(diǎn)只具備有限的信息處理能力和計(jì)算能力，節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，而電池的能量是有限的［2］。因此，設(shè)計(jì)能量有效的WSNs路由協(xié)議顯得尤為重要。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以分為兩類:平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議［3］。平面路由協(xié)議簡(jiǎn)單、無需維護(hù)、易擴(kuò)展，而且算法容易實(shí)現(xiàn)［4］。層次路由協(xié)議的主要思想是讓一部分節(jié)點(diǎn)特殊化，使其不僅傳輸自己的數(shù)據(jù)，還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和發(fā)送鄰近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)［5］。分簇路由協(xié)議是典型的層次型路由協(xié)議，在很多WSN協(xié)議中應(yīng)用分簇方式也產(chǎn)生了很好的效果。

低功耗自適應(yīng)集簇分層型(low－energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)協(xié)議［6］是 Heinzelman等提出的第1個(gè)分簇路由協(xié)議，該協(xié)議在選舉簇頭時(shí)，沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命。決定性簇頭選擇(deterministic cluster－h(huán)ead selection，DCHS)［7］針對(duì)LEACH的不足提出了改進(jìn)，添加了對(duì)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量的考慮，但隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，存在產(chǎn)生簇頭數(shù)目少而影響節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的問題。以上2種協(xié)議在簇建立階段，非簇頭節(jié)點(diǎn)都是以載波偵聽多路訪問 (carrier sensemultiple access，CSMA)的方式發(fā)送入簇信息，增加了入簇的時(shí)延和碰撞概率。本文針對(duì)這些問題提出了一種能量高效的分簇路由(energy efficient clustering，EEC)算法，設(shè)計(jì)了一種新的簇頭選舉機(jī)制，不僅考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量，而且能夠保證網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，并且用CDMA機(jī)制使非簇頭入簇，減少了對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)的干擾，有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，且網(wǎng)絡(luò)能耗更加均衡。

1 相關(guān)工作

1.1 LEACH

LEACH協(xié)議是最早提出的分簇路由協(xié)議，該協(xié)議是針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗、自適應(yīng)路由協(xié)議，該協(xié)議在選擇簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平均分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，從而降低能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間［6］。LEACH能夠保證各節(jié)點(diǎn)等概率地?fù)?dān)任簇頭。它的執(zhí)行過程是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段［8］。網(wǎng)絡(luò)開始時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)0～1的隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)小于閾值T(n)，則該節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為本輪的簇頭。T(n)的定義為

(1)式中:p值為網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的百分比，這個(gè)值是網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)設(shè)定的，p為0. 05;r為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行的輪數(shù);G是當(dāng)前1/p輪沒有當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。

該協(xié)議在選舉簇頭時(shí)，并沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)的剩余能量很少，那么在當(dāng)選為簇頭后很快就會(huì)死亡，縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命。

1.2 DCHS

DCHS針對(duì)LEACH的不足，提出了2種改進(jìn)方法［7］。第1種是在LEACH的基礎(chǔ)上，添加了對(duì)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量的考慮，改進(jìn)后的閾值函數(shù)T(n)的表達(dá)式為(2)式中:Ec為節(jié)點(diǎn)的剩余能量;Ei為節(jié)點(diǎn)的初始能量。這在一定程度上改進(jìn)了LEACH的不足，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。但隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)剩余能量減少，節(jié)點(diǎn)每次產(chǎn)生的閾值變小，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)目減少，甚至出現(xiàn)沒有簇頭的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡。因此，DCHS協(xié)議提出了第2種改進(jìn)方法，閾值T(n)表達(dá)式為

(3)式中，rs表示節(jié)點(diǎn)沒有當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的輪數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行的1/p輪中，(3)式等價(jià)于(2)式，能量大的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率大。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前1/p輪中還沒有當(dāng)選簇頭，(3)式等價(jià)于(1)式，沒有當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的簇頭選舉概率隨機(jī)自舉為簇頭。隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量較低時(shí)，若節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前1/p輪中還沒有當(dāng)選簇頭，則節(jié)點(diǎn)在自舉時(shí)不再考慮當(dāng)前剩余能量，而是按照網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的概率值隨機(jī)自舉簇頭，保證網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。但在(3)式中，節(jié)點(diǎn)只有在當(dāng)前1/p輪中沒有當(dāng)選過簇頭節(jié)點(diǎn)，才能隨機(jī)自舉。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行若干周期后，節(jié)點(diǎn)剩余能量小于初始能量，在該周期的1/p輪中，閾值函數(shù)產(chǎn)生的值變小，網(wǎng)絡(luò)中的簇頭數(shù)目一直很少。

2 EEC分簇路由協(xié)議

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)模型中，K個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在方形監(jiān)測(cè)區(qū)域。該網(wǎng)絡(luò)用于周期性、小規(guī)模的數(shù)據(jù)采集，如溫度、光照等。網(wǎng)絡(luò)中所對(duì)應(yīng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)集合為 N={n1，n2，…，nk}，|N|=K?，F(xiàn)做如下假設(shè):在EEC中，sink節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊緣。在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)經(jīng)部署后，位置不會(huì)發(fā)生改變;每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí);所有節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)融合能力。節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功率和接收信號(hào)的強(qiáng)度確定與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離，且可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的距離自由調(diào)節(jié)發(fā)射功率來節(jié)省能量。每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道自己的位置信息。

2.2 能耗模型

文中采用和文獻(xiàn)［9］相同的無線通信能量消耗模型。節(jié)點(diǎn)發(fā)送l比特?cái)?shù)據(jù)給距離為d的節(jié)點(diǎn)，消耗的能量由發(fā)射電路損耗和功率放大損耗兩部分組成，即［10］

(4)式中:Eelec表示發(fā)射機(jī)的電路損耗能量;εfs和εmp分別為2種能量模型中功率放大器的能耗因子;d0表示功率放大器采用不同模型的閾值，如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離小于d0，則功率放大器采用自由空間模型;如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離大于等于d0，則功率放大器采用多徑衰減模型。

接收機(jī)接收l比特?cái)?shù)據(jù)的能量消耗為

(5)式中，用于接收的電路損耗的能量Eelec和發(fā)射機(jī)的發(fā)射電路損耗相同。

2.3 EEC協(xié)議的執(zhí)行步驟

EEC協(xié)議的執(zhí)行步驟如下。

1 )簇頭自舉。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布，生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，將其與閾值進(jìn)行比較，確定是否在該輪擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn);

2 )當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)以一定的發(fā)射功率廣播CH_MSG消息，消息中包含簇頭ID、當(dāng)前剩余能量以及隨機(jī)選取的擴(kuò)頻碼。簇頭節(jié)點(diǎn)廣播CH_MSG后，把自己的擴(kuò)頻碼設(shè)為隨機(jī)選取的擴(kuò)頻碼，準(zhǔn)備接受入簇信息;

3 )非簇頭節(jié)點(diǎn)收到CH_MSG消息后，選取強(qiáng)度最大的節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，從CH_MSG消息中獲得擴(kuò)頻碼，并以CDMA的方式向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送JOIN_MSG消息，消息中包含節(jié)點(diǎn)的ID;

4 )所有非簇頭節(jié)點(diǎn)加入簇后，簇頭節(jié)點(diǎn)為簇成員節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，并把時(shí)隙信息在簇內(nèi)進(jìn)行廣播;

5 )簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)隙內(nèi)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并把融合后的數(shù)據(jù)通過多跳的方式發(fā)送給sink;

6 )每個(gè)節(jié)點(diǎn)每t s進(jìn)行一次簇頭輪換，循環(huán)進(jìn)行1)到5)的步驟。

2.4 簇頭選舉

通過分析LEACH和DCHS協(xié)議的不足之處，EEC對(duì)閾值函數(shù)T(n)進(jìn)行了如下改進(jìn)。

(7)式中:M是監(jiān)控區(qū)域的大小;N是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目;dtobs是sink節(jié)點(diǎn)到監(jiān)測(cè)區(qū)域的距離。p值的大小和LEACH，DCHS中的p值的大小都取0.05。

(6)式分以下3種情況考慮。

由此可見，剩余能量多的節(jié)點(diǎn)集中在當(dāng)前周期的前半輪，自舉為簇頭節(jié)點(diǎn)。為了避免網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)目少的問題，在當(dāng)前周期的后半輪，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)自舉為簇頭。和LEACH一樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行至當(dāng)前周期的最后一輪時(shí)，沒有當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)以概率1成為簇頭節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)能量消耗分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

2.5 非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇方式

LEACH協(xié)議和DCHS協(xié)議在簇建立階段，當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)接收到簇頭節(jié)點(diǎn)的宣告信息后，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱，選擇信號(hào)強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，并以CSMA的方式發(fā)送入簇信息。采用CSMA的方式增加了入簇的時(shí)延，且由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布密度大，碰撞的概率大。

EEC協(xié)議采用的是CDMA方式發(fā)送入簇信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)自舉為簇頭節(jié)點(diǎn)后，簇頭節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)絡(luò)廣播自己是簇頭的消息，消息中包含簇頭節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取的擴(kuò)頻碼。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)廣播宣告信息后，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)入CDMA模式，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的宣告信息中的擴(kuò)頻碼，以CDMA的方式發(fā)送入簇信息。采用CDMA方式可以避免簇間普通節(jié)點(diǎn)入簇時(shí)的干擾，減少入簇時(shí)延。

3 仿真及性能分析

3.1 仿真環(huán)境

仿真采用OPNET14.5軟件，在仿真中，100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在100 m×100 m的方形區(qū)域中，匯聚節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的外部。

仿真中假定:當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量低于初始能量的5%時(shí)，節(jié)點(diǎn)死亡;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)大于20%時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命結(jié)束;網(wǎng)絡(luò)每輪運(yùn)行的時(shí)間設(shè)為30 s。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)Tab.1 OPNET simulation parameters

3.2 仿真結(jié)果分析

文中提出的EEC協(xié)議對(duì)DCHS協(xié)議進(jìn)行了多處改進(jìn)，并設(shè)計(jì)出了完整的仿真代碼，將EEC與DCHS協(xié)議和LEACH協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗速率以及網(wǎng)絡(luò)中平均簇頭數(shù)量等4個(gè)方面分別進(jìn)行了仿真分析。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

圖1為匯聚節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)邊緣距離不同時(shí)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比圖。圖1顯示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)到sink節(jié)點(diǎn)的距離逐漸增大時(shí)，3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間均減少，但是EEC協(xié)議的生存時(shí)間均比DCHS和LEACH協(xié)議的生存時(shí)間長(zhǎng)。這是由于EEC在選舉簇頭時(shí)，考慮了節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量，剩余能量多的節(jié)點(diǎn)以更大概率成為簇頭，并保證網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。從而達(dá)到能量消耗均衡，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。在EEC中，簇頭在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用多跳無線通信方式，也極大降低了簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗。隨著匯聚節(jié)點(diǎn)sink距離網(wǎng)絡(luò)越來越遠(yuǎn)，EEC協(xié)議和另外2種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間相差也變得越來越大。

圖1 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較Fig.1 Comparison of network lifetime

3.2.2 首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間

圖2為匯聚節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)絡(luò)邊緣位置不同時(shí)的首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間的仿真結(jié)果圖。圖2顯示，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)絡(luò)邊緣位置相同時(shí)，EEC的首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡最晚，隨著匯聚節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)絡(luò)邊緣距離的增大，3種協(xié)議的首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間都變?cè)?，但EEC協(xié)議依然表現(xiàn)最好。這是由于EEC協(xié)議進(jìn)行簇頭選舉時(shí)，節(jié)點(diǎn)考慮自身的當(dāng)前剩余能量進(jìn)行自舉，且在簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用多跳的通信方式，而LEACH協(xié)議和DCHS協(xié)議都采用單跳的方式，因此，簇頭能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于另外2種協(xié)議，首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間也最晚。

圖2 首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間比較Fig.2 Comparison of the first node death time

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)平均能耗速率

圖3為匯聚節(jié)點(diǎn)位置不同時(shí)，3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均能耗速率仿真圖。圖3顯示，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)絡(luò)邊緣的距離相等時(shí)，LEACH協(xié)議的能量消耗速率最大，EEC協(xié)議的能量消耗速率最小。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)絡(luò)邊緣的距離增大時(shí)，靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗增大，3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗速率均增大，但LEACH協(xié)議和DCHS協(xié)議隨全網(wǎng)簇頭節(jié)點(diǎn)的發(fā)送距離增大，簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗也增大，而EEC協(xié)議簇間采用多跳模式，減少了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，EEC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗速率低于LEACH協(xié)議和DCHS協(xié)議。DCHS協(xié)議在選取簇頭時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量，網(wǎng)絡(luò)能耗均衡，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)平均能耗速率低于LEACH協(xié)議。

3.2.4 平均簇頭個(gè)數(shù)

圖4為網(wǎng)絡(luò)范圍不同時(shí)，3種協(xié)議的平均簇頭個(gè)數(shù)的仿真結(jié)果圖。由圖4可見，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)范圍增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)目增多。對(duì)于 LEACH協(xié)議和EEC協(xié)議，雖然網(wǎng)絡(luò)的平均簇頭數(shù)目增加，但簇頭數(shù)目與總節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值基本不變?？梢?，EEC協(xié)議在改進(jìn)簇頭選舉概率的前提下，保證了網(wǎng)絡(luò)中的簇頭數(shù)目。由于DCHS協(xié)議在選舉簇頭時(shí)僅考慮節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行若干輪后，節(jié)點(diǎn)剩余能量減少，節(jié)點(diǎn)自舉的閾值變小，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)目減少。

圖3 網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗速率比較Fig.3 Comparison of the network energy consumption rate

圖4 平均簇頭個(gè)數(shù)比較Fig.4 Comparison of the average number of cluster heads

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析已有分簇路由協(xié)議DCHS的基礎(chǔ)上，提出了能量高效的分簇路由協(xié)議EEC，在選舉簇頭時(shí)，不僅考慮了節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量，還保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，避免了網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)目少的問題。在非簇頭節(jié)點(diǎn)加入簇時(shí)，該協(xié)議采用的是CDMA方式，這與LEACH和DCHS協(xié)議采用的CSMA不同，CDMA方式可以減少簇間的干擾，能有效地均衡網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，從而達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。

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余 俊(1989－)，女，河南信陽(yáng)人，碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。E－mail:yujun8831682@163.com。

(編輯:王敏琦)