何傳波　覃琪

摘要：針對非均勻分簇（EEUC）路由協(xié)議僅考慮節(jié)點與基站距離決定簇半徑以及選擇簇頭時僅考慮節(jié)點剩余能量等不足，在其基礎(chǔ)上進行改進，利用節(jié)點與基站的距離、節(jié)點相鄰節(jié)點數(shù)量決定成簇半徑，綜合考慮節(jié)點剩余能量、節(jié)點相鄰區(qū)域節(jié)點數(shù)量和成簇通信代價以及到基站的距離等因素進行分簇，路由協(xié)議還考慮中繼節(jié)點數(shù)和傳送信息次數(shù)等。通過MATLAB仿真驗證了改進協(xié)議較EEUC協(xié)議更能延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

關(guān)鍵詞：EEUC路由協(xié)議；剩余能量；通信代價；路由協(xié)議

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）08-0039-03

1概述

近年來，由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless SensorNetwork，WSN）受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，WSN通過大量分布于不同區(qū)域的傳感器節(jié)點感知、收集信息并分析處理，進而實現(xiàn)對遠程目標的監(jiān)控，是集信息采集、傳輸與處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)。傳感器節(jié)點體積小，能夠攜帶的能量有限，所以選擇一種合理的路由協(xié)議，降低能耗，延長整個WSN的生存時間是當前WSN的主要研究方向之一。

層次路由協(xié)議因能量利用率高、網(wǎng)絡(luò)拓撲易于控制、數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用其中等特點聊，整體性能優(yōu)于平面路由協(xié)議，因而它在WSN網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛研究與應(yīng)用。LEACH協(xié)議是最早提出的層次路由協(xié)議，該協(xié)議設(shè)定一個閾值，每個節(jié)點通過一個0到1間且大于閾值的隨機數(shù)決定簇頭并進行分簇，當沒有考慮網(wǎng)絡(luò)簇頭的分布均衡和簇頭間路由。李在分析分簇路由基礎(chǔ)上提出了EEUC協(xié)議，利用節(jié)點與基站的距離不同來決定簇的大小，距離基站近的成簇半徑小，以便騰出更多能量進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，當節(jié)點剩余能量高于半徑內(nèi)其他節(jié)點則能夠當選簇頭。EEUC協(xié)議雖然解決了均勻分簇中擔任路由節(jié)點的簇頭能耗過大、全網(wǎng)能耗不均衡等問題，但沒有很好的考慮簇內(nèi)成員節(jié)點數(shù)量以及通信代價等問題。

本文針對非均勻分簇協(xié)議EEUC的不足，對EEUC協(xié)議進行改進。改進協(xié)議利用節(jié)點與基站的距離、節(jié)點相鄰節(jié)點數(shù)量來決定成簇半徑，綜合考慮節(jié)點剩余能量、節(jié)點相鄰區(qū)域節(jié)點數(shù)量和成簇通信代價以及到基站的距離等因素進行分簇。在中繼路由節(jié)點的選擇上，除了考慮簇頭選擇的因素外，還增加中繼節(jié)點數(shù)和傳送信息次數(shù)作為參考，優(yōu)化路由節(jié)點選擇協(xié)議，均衡路由節(jié)點通信能耗。

2參數(shù)設(shè)計與計算方式

2.1非均勻競爭半徑計算方式

半徑的大小決定該簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量或簇內(nèi)通信開銷，因而針對EEUC協(xié)議在競爭半徑的確定中只考慮節(jié)點到基站距離的不足進行改進，加入節(jié)點相鄰節(jié)點數(shù)量因素。改進算法的競爭半徑計算公式如下：

（1）

其中，d_max和d_min分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離基站的最大和最小距離。d_i為節(jié)點i與基站距離，N_max為最大節(jié)點數(shù)量，N_i為節(jié)點i相鄰節(jié)點數(shù)量，為大于0小于1的參數(shù)。R₀為最大競爭半徑。

2.2簇頭選擇閾值定義

簇頭的選擇不應(yīng)該僅僅由剩余能量來決定，還應(yīng)該綜合考慮成簇半徑內(nèi)節(jié)點數(shù)量、各節(jié)點到簇頭的通信代價以及簇頭與基站的距離等因素，以確保簇內(nèi)節(jié)點不能過多或通信距離過遠而增加能量損耗。所以簇頭選擇閾值T_new定義如下：

（2）

（3）

其中a+b+e=1，E_n為節(jié)點i當前剩余能量值，E_A為網(wǎng)絡(luò)平均能量。由公式可知，節(jié)點乘0余能量越多當選簇頭概率越大，距離基站越近、節(jié)點相鄰區(qū)域節(jié)點數(shù)量越大且簇內(nèi)通信代價越小越容易成為簇頭。

2.3路由閾值定義

路由節(jié)點擔負則中繼信息傳遞的重任，若能量過低或頻繁的承擔中繼任務(wù)都會導致該節(jié)點過早失效，因而，簇頭在選擇路由節(jié)點時除了考慮剩余能量等綜合信息外，還要考慮該路由節(jié)點為多少個簇頭傳遞消息給基站，傳遞了多少次消息等。因此，路由閾值的定義為：

（4）

其中，β+γ+ω=1，N_r為中繼節(jié)點服務(wù)簇頭數(shù)量，n_r輪數(shù)，n_i為中繼路由擔任次數(shù)。當服務(wù)簇頭個數(shù)M越大，該節(jié)點添加新簇頭的概率越小，傳遞的信息越頻繁，成為中繼路由的概率就越小。以此來降低中繼節(jié)點的能量損耗。

3協(xié)議設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)部署開始階段，基站BS首先要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播信號，每個節(jié)點根據(jù)接收到的信號強弱計算自己與基站的距離，用于計算節(jié)點組網(wǎng)半徑。本節(jié)分別對簇頭競選、分簇和簇頭間通信路由選擇兩個部分對改進協(xié)議進行描述。

3.1簇的建立

第一步：首輪所有節(jié)點根據(jù)接收到的基站廣播信息獲取到d_max和d_min信息并計算出自己的成簇半徑R_new。

第二步：判斷節(jié)點剩余能量是否大于平均能量，如果是則根據(jù)自己的計算出來的成簇半徑R_new廣播自己的簇頭競爭閾值T_new，否則節(jié)點進入睡眠等待簇頭節(jié)點喚醒成簇。

第三步：所有競爭簇頭的節(jié)點根據(jù)接收到的T_new值決策是否成為簇頭。若相鄰的節(jié)點T_new值比自己高，則判斷其是否成簇頭，若成則直接加入該簇，否則自己成為簇頭。

第四步：競爭過程結(jié)束后，簇頭節(jié)點廣播成簇信息，未參與競爭的節(jié)點被喚醒，選擇距離自己最近即通信代價最小的簇加人。并建立簇內(nèi)時分復用時隙通信機制，所有簇頭收集并進行數(shù)據(jù)融合才向路由節(jié)點或BS發(fā)送數(shù)據(jù)，減少能耗。

在首輪過后并非每輪都進行分簇，也不是全網(wǎng)所有節(jié)點都重新分簇，而是簇頭節(jié)點能量E_n小于平均能量匠的簇重新選擇簇頭，需要重新分簇的節(jié)點根據(jù)上面2到4步重新進行非全局分簇。如此小范圍的重新分簇，即減少需要組網(wǎng)節(jié)點數(shù)量，較大程度提升了成簇速度，又降低了因全局分簇而導致的能量不必損耗，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量。

3.2簇間路由選擇

簇頭節(jié)點除了負責本簇內(nèi)成員信息的收集與融合，還有可能擔任其他簇頭與基站通信的橋梁即中繼節(jié)點作用，因而每個簇頭還要設(shè)置兩個參數(shù)，一個是幾個節(jié)點通過自己向基站方向發(fā)送消息，另一個是自己發(fā)送了幾次消息。引入一個閾值D，若簇頭節(jié)點與基站的距離小于D，則直接與基站進行通信，否則通過多跳與基站通信。簇頭節(jié)點在選擇基站方向上那個節(jié)點作為自己的中繼節(jié)點時，根據(jù)接收到的E_route信息中選擇最大的節(jié)點作為自己的中繼節(jié)點。若有信息通過自己發(fā)送向基站發(fā)送消息，如果是首次接收到該節(jié)點的消息，則增加自己的N_r值和n_i值，否則只增加n_i值。如此，某個簇頭節(jié)點的E_route值越大，表明其剩余能量越多、為其他節(jié)點擔任中繼節(jié)點的數(shù)量越少或中繼發(fā)送的消息量少等，被新節(jié)點作為中繼節(jié)點的概率越大，反正，該節(jié)點越不容易增加新中繼信息，從而達到均衡中繼節(jié)點信息量，優(yōu)化節(jié)點能量損耗，延長節(jié)點壽命的目的。

4實驗與分析

4.1仿真參數(shù)設(shè)置

本文通過Matlab對改進的分簇協(xié)議、經(jīng)典EEUC協(xié)議和LEA CH協(xié)議進行模擬仿真。實驗有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表1所示，協(xié)議中其他參數(shù)的取值均通過多次模擬運行后取較優(yōu)的值。

4.2實驗與分析

將200個節(jié)點隨機分布在200*200的區(qū)域中，分別使用LEACH協(xié)議、EEUC協(xié)議和改進協(xié)議進行仿真模擬。圖1給出了改進協(xié)議在200輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及簇頭節(jié)點分布情況。其中，“0”表示普通節(jié)點，“*”表示簇頭節(jié)點，sink基站在左下角原點。

由簇頭分布情況可以知道整個網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點分布還算比較均勻，沒有簇頭節(jié)點過于集中或某些區(qū)域無簇頭節(jié)點的情況。

圖2和圖3分別給出了EEUC協(xié)議在343輪和改進協(xié)議在456輪死亡節(jié)點情況，EEUC協(xié)議死亡節(jié)點分布還是比較均勻，沒有出現(xiàn)集中在某部分區(qū)域情況。改進協(xié)議在450輪節(jié)點死亡數(shù)量還是不太大，但在460輪以后節(jié)點開始快速死亡，導致整個網(wǎng)絡(luò)迅速癱瘓，由圖3看出，改進協(xié)議節(jié)點死亡會比較集中而且迅速擴散至全網(wǎng)。

圖4給出了LEACH協(xié)議、EEUC協(xié)議和改進的EEUC協(xié)議的仿真比較圖，由于節(jié)點能耗不均衡，LEACH協(xié)議在120多輪的時候開始有節(jié)點死亡，在250輪左右節(jié)點死亡過半，到500輪左右節(jié)點幾乎全部死亡，節(jié)點開始死亡到全部死亡跨度比EEUC協(xié)議和改進協(xié)議都大。EEUC協(xié)議自270輪左右出現(xiàn)節(jié)點死亡情況，在360輪到430輪區(qū)間節(jié)點迅速死亡，網(wǎng)絡(luò)癱瘓。而改進的EEUC協(xié)議，在430輪左右出現(xiàn)死亡節(jié)點，在470輪節(jié)點幾近全部死亡，跨度較小，也體現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)能耗相對比較均衡。因而，改進的EEUC協(xié)議有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長整個網(wǎng)絡(luò)壽命。

5結(jié)束語

本文對非均勻分簇EEUC協(xié)議進行研究并提出改進，改進協(xié)議通過節(jié)點與基站距離、相鄰節(jié)點數(shù)量兩個因素來決定成簇半徑。改進協(xié)議的分簇閾值綜合考慮了節(jié)點剩余能量、相鄰節(jié)點數(shù)、簇內(nèi)通信代價以及節(jié)點與基站距離等因素，使得簇頭選擇更加合理分布更均衡。中繼路由節(jié)點的選擇上，除了考慮簇頭選擇因素外，還添加了中繼節(jié)點數(shù)量和信息量兩個因素，優(yōu)化各中繼節(jié)點通信信息量，均衡中繼節(jié)點能量損耗。仿真結(jié)果表明，改進的協(xié)議更好的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)分簇，均衡路由節(jié)點通信信息量，提升網(wǎng)絡(luò)能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。