應(yīng)可珍,楊志凱,周賢年,毛科技,陳慶章*

(1.浙江工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,杭州 310014;2.浙江財經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院,浙江 海寧 314408)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價的微型傳感器節(jié)點通過無線通訊的方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò),主要功能是數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測[1],其被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域,如在林業(yè)方面監(jiān)測森林的溫濕度、光照強度;在農(nóng)業(yè)方面監(jiān)測大棚環(huán)境;在醫(yī)療方面可進行遠程醫(yī)療和實時監(jiān)護等[2-3]。一般傳感器網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜,很難為傳感器節(jié)點更換電池,在節(jié)點電源有限的情況下很容易死亡,尤其是大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采集轉(zhuǎn)發(fā)大量的數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過程中某些傳感器節(jié)點負載過大,能量消耗過快,最終導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)過早死亡,因此研究能耗均衡的路由協(xié)議有重要意義。

目前針對WSN路由協(xié)議的研究主要有兩個方面,一種是鏈路式路由協(xié)議,另外一種是層次路由協(xié)議。鏈路式路由協(xié)議適合小規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò),在大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用鏈路式路由協(xié)議容易導(dǎo)致鏈路擁塞,而層次路由協(xié)議適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)。分簇路由協(xié)議是層次路由協(xié)議的一種,如早期文獻[4]提出的LEACH路由協(xié)議,采用隨機分簇策略并且周期性簇頭輪換,該協(xié)議對節(jié)點進行均勻分簇,簇內(nèi)成員節(jié)點數(shù)量相同,因此理論上每個簇的平均消耗能量相同。該協(xié)議規(guī)定每個簇成員節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過一跳通訊發(fā)送給簇首節(jié)點,簇首節(jié)點直接與Sink節(jié)點通訊,由于網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都可能出任簇首,所以達到了均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的目的,但是簇首需要直接與Sink節(jié)點進行通訊,這就導(dǎo)致距離Sink節(jié)點較遠的簇首需要消耗大量的能量,而且需要傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都具有遠程通訊能力,不適用與普通傳感器網(wǎng)絡(luò)。文獻[5]針對傳統(tǒng)的LEACH簇首選舉方法進行改進,在選取簇首的過程中綜合考慮了其剩余能量等因素,在能耗均衡性能上有優(yōu)于傳統(tǒng)的LEACH。文獻[6]在傳統(tǒng)LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上選舉出副簇首,使得簇首之間能耗均衡性更好,實驗結(jié)果也驗證了該方法能夠延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。文獻[7]提出一種改進的LEACH協(xié)議(EE-LEACH),該路由協(xié)議在簇首選擇時充分考慮了節(jié)點剩余能量并且采用簇首間多跳路由將采集的數(shù)據(jù)傳輸至基站,實驗結(jié)果表明該協(xié)議在能量消耗和能量均衡性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的LEACH路由協(xié)議。

文獻[8]針對LEACH協(xié)議的均勻分簇和簇首與Sink節(jié)點單跳通訊存在的問題,首次提出了非均勻分簇均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的思想UCS,簇間采用多跳通訊。UCS根據(jù)簇首期望轉(zhuǎn)發(fā)負荷來調(diào)整簇規(guī)模,最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。文獻[9]提出一種分區(qū)和分簇雙層劃分的路由協(xié)議,多個簇形成一個區(qū),簇首將信息傳輸至區(qū)首,區(qū)首通過多跳將信息傳輸至Sink節(jié)點,在區(qū)劃分和簇規(guī)?？刂粕?距離Sink節(jié)點越近,簇規(guī)模越小,該協(xié)議較好的均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗,但是該協(xié)議要求傳感器節(jié)點的位置已知,因此不適用于普通傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點位置已知的路由協(xié)議還有文獻[10]提出的DEBUC協(xié)議,該協(xié)議利用節(jié)點位置計算距離Sink節(jié)點的距離,然后控制簇首的競爭半徑從而控制簇規(guī)模大小。在簇首優(yōu)化方面文獻[11]利用PSO算法優(yōu)化選擇的簇首,提出了PSO-C分簇路由協(xié)議。文獻[12-15]都研究了簇首競爭半徑非均勻的分簇協(xié)議,但這些研究重點在如何分簇,對簇首之間多跳傳輸缺少研究,且上述的分簇路由研究中有些是基于節(jié)點位置已知的,并不適用于普通傳感器網(wǎng)絡(luò),而有些則并沒有充分考慮簇規(guī)模的問題,因此并不能較好的發(fā)揮能耗均衡作用。

基于目前已經(jīng)取得的研究成果有待提高的部分,提出一種可控簇規(guī)模的能耗均衡路由協(xié)議。首先綜合考慮節(jié)點的剩余能量、節(jié)點與鄰居節(jié)點的鏈路質(zhì)量、節(jié)點的度選擇簇首節(jié)點,然后根據(jù)節(jié)點距離Sink節(jié)點的最短跳數(shù)控制簇首競爭半徑,從而控制簇規(guī)模,接著利用虛擬力模型進行普通節(jié)點成簇,最后簇首通過多跳路由將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink節(jié)點。該協(xié)議在簇首選舉、簇規(guī)?？刂坪痛厥组g路由都充分考慮了負載均衡,實驗結(jié)果驗證了該協(xié)議具有較好的能耗均衡性。

1 網(wǎng)絡(luò)定義與能耗模型

1.1 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)定義

①總共有N個傳感器節(jié)點均勻部署在長為L,寬為H的監(jiān)測區(qū)域中,以監(jiān)測區(qū)域左下角為坐標原點建立坐標系,Sink節(jié)點的坐標為(0,H/2)。②傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點同構(gòu),初始能量相同且都為E0。③傳感器節(jié)點的位置是未知的。④傳感器節(jié)點初始時刻通訊半徑為r,當節(jié)點出任簇頭后通訊半徑自動調(diào)整為ar,a為常數(shù)。⑤Sink節(jié)點由服務(wù)器供電,無需考慮能量且有足夠的處理能力。

1.2 節(jié)點能耗模型

傳感器節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包都需要消耗能量,節(jié)點通訊過程如圖1所示。其中發(fā)射節(jié)點消耗能量的器件主要有信號發(fā)射電路和信號放大電路,因此發(fā)射節(jié)點的能量消耗與數(shù)據(jù)包大小、信號放大倍數(shù)有關(guān)。接收節(jié)點消耗能量的器件主要有信號接收電路,因此接收節(jié)點的能量消耗主要與數(shù)據(jù)包大小有關(guān)。

圖1 節(jié)點通訊模型

本文的研究基于文獻[16]中的節(jié)點通訊能耗模型,其中發(fā)送能耗模型如式(1)所示,接收能耗模型如式(2)所示。

(1)

Erx=k×Ee

(2)

式(1)、式(2)中:Ee表示信號發(fā)射和信號接收電路處理1 bit數(shù)據(jù)所消耗的能量。k表示發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的大小(單位為bit),εamp表示信號放大電路將信號放大的倍數(shù),d表示信號發(fā)射的距離,cd為一個距離閾值,主要與節(jié)點距離地面的高度相關(guān),如式(3)所示。

(3)

式中:hr、ht分別表示接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點的天線距離地面高度。λ為電磁波波長,L為常數(shù)。

2 節(jié)點分簇方法

2.1小節(jié)介紹利用距離Sink節(jié)點最短跳數(shù)設(shè)置簇首競爭半徑,2.2小節(jié)介紹在簇首競爭半徑內(nèi)選取簇首,最后2.3小節(jié)介紹普通節(jié)點加入簇的方法。

2.1 簇首競爭半徑

簇首的選擇是以簇首候選節(jié)點為圓心,以競爭半徑為半徑的范圍內(nèi)判斷候選節(jié)點是否出任簇首。簇首候選節(jié)點的競爭半徑與最終簇首被選擇的數(shù)量相關(guān),由于傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)包通過簇首之間多條轉(zhuǎn)發(fā)至Sink節(jié)點,因此越靠近Sink節(jié)點的簇首不僅需要接收和轉(zhuǎn)發(fā)其簇成員的數(shù)據(jù)包,而且還需要轉(zhuǎn)發(fā)大量距離Sink節(jié)點較遠的簇首節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包,而距離Sink節(jié)點較遠的簇首節(jié)點在為其他簇首節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包方面消耗的能量相對來說較少。綜上所述,越靠近Sink節(jié)點的簇首在同一輪數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)過程中消耗的能量遠遠多于距離Sink節(jié)點較遠的簇首,為了均衡傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體能耗,距離Sink節(jié)點較近的區(qū)域應(yīng)該選擇更多的傳感器節(jié)點成為簇首,分擔傳感器網(wǎng)絡(luò)負載,而距離Sink節(jié)點較遠的區(qū)域應(yīng)該選擇較少的簇首。

由于本文的研究針對位置未知的傳感器節(jié)點,因此利用節(jié)點距離Sink節(jié)點的最短跳數(shù)表示節(jié)點與Sink節(jié)點的距離,傳感器節(jié)點的最短跳數(shù)可通過傳感器網(wǎng)絡(luò)洪泛方法獲得,如文獻[17]介紹的方法。本文的競爭半徑并不采用歐氏距離,而是采用信號強度(RSSI<0),因為文中傳感器節(jié)點的位置未知,當節(jié)點與簇首候選節(jié)點之間的信號強度大于cr(競爭半徑對應(yīng)的RSSI值),則認為該節(jié)點位于簇首候選節(jié)點的競爭半徑內(nèi),競爭半徑如式(4)所示。

(4)

式中:RSSIr表示在節(jié)點通訊半徑r處的信號強度值,為負數(shù),hopmin表示距離Sink節(jié)點的最短跳數(shù),h為常數(shù)。當節(jié)點與簇首候選節(jié)點之間的信號強度大于cr時,認為該節(jié)點位于簇首候選節(jié)點的競爭半徑內(nèi)。當hopmin越小則越靠近Sink節(jié)點,此時cr越大,則該簇首候選節(jié)點競爭半徑越小,最終能夠構(gòu)建的簇規(guī)模越小,而hopmin越大,則cr越小,則該節(jié)點能夠構(gòu)建的簇規(guī)模越大。

2.2 簇首選舉

簇首的選擇對分簇路由協(xié)議的影響重大,選擇合適的節(jié)點出任簇首能夠較好的均衡網(wǎng)絡(luò)能耗延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。簇首的任務(wù)是接收簇成員節(jié)點的消息并轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳簇首,因此簇首需要考慮剩余能量,其次簇成員節(jié)點會發(fā)送大量的數(shù)據(jù)包到簇首節(jié)點,因此簇成員節(jié)點與簇首節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量(LQI)要好。最后簇首與簇首之間通訊需要將通訊半徑擴大,且成為簇首需要消耗較大的能量,因此簇首的度(簇首候選節(jié)點競爭半徑內(nèi)傳感器節(jié)點的數(shù)量)不宜太小,否則會造成能量的浪費。

基于上述分析,綜合考慮簇首候選節(jié)點的剩余能量、簇首候選節(jié)點與其簇成員節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量LQI和簇首候選節(jié)點的度進行簇首選舉。利用文獻[17]提出的方法為每個傳感器節(jié)點建立并儲存鄰居節(jié)點表,如表1所示。

表1 鄰居節(jié)點表

表1中ID為鄰居節(jié)點的唯一表示,Ej為鄰居節(jié)點的剩余能量,RSSIij為節(jié)點與其鄰居節(jié)點之間的信號強度,LQIij為節(jié)點與鄰居節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量。根據(jù)表1中的相關(guān)信息計算每個簇首候選節(jié)點的W值,如式(5)所示,W值綜合考慮了簇首候選節(jié)點的剩余能量、簇首候選節(jié)點與簇成員節(jié)點的鏈路質(zhì)量以及簇首候選節(jié)點度,根據(jù)W值的大小選擇簇首節(jié)點,W值越大,則簇首候選節(jié)點最終被選擇為簇首節(jié)點的概率越高。

(5)

式中:α、β、χ為常數(shù),可根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置,且α+β+χ=1,Ei為簇首候選節(jié)點的剩余能量,E0為傳感器節(jié)點的初始能量,LQIij為簇首候選節(jié)點i與其競爭半徑內(nèi)的鄰居節(jié)點j之間的鏈路質(zhì)量。LQImax為一個常數(shù),即鏈路質(zhì)量范圍內(nèi)的最大值,Da為傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均度,Di為簇首候選節(jié)點的度。

在長為500,寬為300的矩形區(qū)域內(nèi)部署800個傳感器節(jié)點,傳感器節(jié)點的通訊半徑r=30,根據(jù)上述簇首選擇方法選擇的簇首節(jié)點如圖2所示。從圖中可知越靠近Sink節(jié)點的區(qū)域,簇首密度越高,越遠離Sink節(jié)點的區(qū)域簇首密度較低。

圖2 簇首分布圖

2.3 普通節(jié)點加入簇

2.2小節(jié)選取了合適的節(jié)點出任簇首,在2.3小節(jié)中研究利用虛擬引力方法將普通傳感器節(jié)點加入到簇首中形成簇。當簇首節(jié)點的剩余能量和通訊質(zhì)量都比較高時,該簇首節(jié)點有能力構(gòu)建規(guī)模較大的簇,而剩余能量較低的簇首則構(gòu)建規(guī)模較小的簇,這有利于簇首之間的能耗均衡。

在路由協(xié)議中,節(jié)點i出任簇首后,向周圍傳感器節(jié)點廣播信標幀,告知其鄰居節(jié)點。廣播的信標幀中包括簇首的剩余能量Ei和簇首到鄰居節(jié)點j的信號強度RSSIij。同一個鄰居節(jié)點j可能收到多個簇首發(fā)送的信標幀,根據(jù)信標幀中的信息計算節(jié)點j與其各個鄰居簇首的引力F(i,j),最后節(jié)點j加入對其引力最大的簇首,引力計算如式(6)所示。

(6)

節(jié)點之間的距離可用信號強度表示,當信號強度RSSIij的平方越小,則說明節(jié)點與簇首之間的距離越小,通訊需要消耗的能量越少,普通節(jié)點與簇首節(jié)點間的引力F(i,j)越大,因此普通節(jié)點選擇加入簇首時會選擇距離該節(jié)點相對較近的簇首。當簇首節(jié)點的剩余能量Ei越大,則對其周圍的普通節(jié)點引力F(i,j)越大,則更容易構(gòu)建規(guī)模較大的簇,而大規(guī)模的簇使得該簇首能量消耗較快,最終與其他簇首的剩余能量均衡。剩余能量相對較少的簇首則構(gòu)建規(guī)模較小的簇,降低能量的消耗。

3 簇頭間路由

簇成員節(jié)點定時采集數(shù)據(jù)并通過一跳路由發(fā)送至簇首節(jié)點,然后簇首經(jīng)過多跳路由將數(shù)據(jù)傳輸至Sink節(jié)點。由于簇首之間距離比較大,為保證傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量,簇首節(jié)點主動放大發(fā)射功率,將通訊半徑r調(diào)整為R=γr,γ為常數(shù)且大于1。本文提出的路由協(xié)議不僅在網(wǎng)絡(luò)分簇方面充分考慮了能耗均衡,在簇首間路由轉(zhuǎn)發(fā)方面同樣需要考慮能耗均衡。

簇首間路由采用鏈路式路由協(xié)議,為了均衡網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點的能耗,設(shè)計了簇首下一跳代價選擇函數(shù),如式(7)所示。

(7)

式中:a、b、c為常數(shù),可根據(jù)經(jīng)驗獲得,且a+b+c=1,ci為需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的簇首節(jié)點編號,cj為與簇首ci相鄰的簇首節(jié)點編號,Ecj為簇首cj的剩余能量,Hcj為簇首cj距離Sink節(jié)點的最短跳數(shù),Hmax為簇首ci的通訊半徑R內(nèi)的簇首節(jié)點距離Sink節(jié)點的最短跳數(shù)的最大值,Di為簇首ci的度,Da為網(wǎng)絡(luò)平均度。

根據(jù)式(7),當簇首節(jié)點ci收集了其簇成員節(jié)點的數(shù)據(jù),然后根據(jù)代價選擇函數(shù)計算與之相鄰的簇首節(jié)點cj轉(zhuǎn)發(fā)其數(shù)據(jù)包的代價,選擇轉(zhuǎn)發(fā)代價最小的簇首作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。當簇首節(jié)點的剩余能量Ecj較低,則被選擇為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的概率越低,反之則反。距離Sink節(jié)點最短跳數(shù)Hcj越大時,該簇首節(jié)點被選擇為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的概率越低,同時當簇首的度太大時,其消耗了大量的能量用于簇內(nèi)通訊,因此被選擇為下一跳節(jié)點的概率也就越低。因此該代價選擇函數(shù)能夠較好的均衡簇首之間的通訊能耗。

4 實驗

實驗中在長度為500、寬度為300的矩形區(qū)域中部署了800個傳感器節(jié)點,傳感器節(jié)點的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器節(jié)點參數(shù)表

簇成員傳感器節(jié)點的通訊半徑r=30 m,簇首通訊半徑R=45 m,傳感器網(wǎng)絡(luò)采集500次數(shù)據(jù)為一輪,然后按照簇首選擇方法重新選擇簇首。傳感器節(jié)點采集轉(zhuǎn)發(fā)一次數(shù)據(jù)的大小為600 bit。

4.1 成簇實驗

本文提出的分簇路由協(xié)議能夠根據(jù)簇首距離Sink節(jié)點的最短跳數(shù)控制簇規(guī)模的大小。越靠近Sink節(jié)點的簇首節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)更多的數(shù)據(jù)包,因此構(gòu)建較小規(guī)模的簇,使得簇內(nèi)能量消耗少,而更多的能量用于數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。而距離Sink節(jié)點越遠的簇首為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的數(shù)量較少,因此構(gòu)建規(guī)模較大的簇,使得簇內(nèi)能量消耗較多。最終實現(xiàn)部署區(qū)域內(nèi)簇首能量消耗均衡。分簇實驗結(jié)果如圖3所示。

實驗結(jié)果表明本文提出分簇方法能使越靠近Sink節(jié)點的簇規(guī)模越小,遠離Sink節(jié)點的簇規(guī)模越大。

4.2 網(wǎng)絡(luò)能耗情況分析

傳感器網(wǎng)絡(luò)每次采集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包都會消耗能量,實驗對比了本文提出的路由協(xié)議(CCERP)、LEACH路由協(xié)議、最短路徑路由協(xié)議以及文獻[7]提出的EE-LEACH路由協(xié)議的能耗均衡性,實驗中利用傳感器網(wǎng)絡(luò)剩余能量的方差作為衡量網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性的標準。實驗結(jié)果如圖4所示,傳感器網(wǎng)絡(luò)一次簇首調(diào)整作為一輪數(shù)據(jù)采集,每輪采集500次數(shù)據(jù),橫坐標為網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的輪數(shù),縱坐標為剩余能量的方差。

圖4 網(wǎng)絡(luò)剩余能量方差圖

實驗結(jié)果表明隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)采集次數(shù)的增加,方差逐漸變大,因為網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)了大量的數(shù)據(jù)包,消耗了較多的能量,而有些節(jié)點為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的次數(shù)比較少,消耗的能量也就比較少,因此會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中剩余能量的方差增大。首先本文提出的路由協(xié)議比其他3種路由協(xié)議的剩余能量方差小,因為CCERP協(xié)議不僅考慮了簇首間的能耗均衡,還充分考慮了簇內(nèi)能耗均衡。其次EE-LEACH的剩余能量方差也比傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議小,節(jié)點剩余能量方差最大的是最短路徑。且CCERP協(xié)議隨著網(wǎng)絡(luò)的輪數(shù)增加,方差增加比其他3種協(xié)議都慢,因此CCERP路由協(xié)議具有較好的能耗均衡性。

為了進一步驗證提出的路由協(xié)議具有較好的能耗性能,實驗又在剩余能量均值方面與最短路徑路由協(xié)議、EE_LEACH、LEACH分簇路由協(xié)議進行了對比。實驗結(jié)果如圖5所示,橫坐標為網(wǎng)絡(luò)進行的輪數(shù),縱坐標為網(wǎng)絡(luò)剩余能量的均值。

圖5 網(wǎng)絡(luò)剩余能量均值

實驗結(jié)果表明隨著網(wǎng)絡(luò)輪數(shù)的增加,網(wǎng)絡(luò)中的剩余能量逐漸減低且剩余能量差距逐漸拉開,因為傳感器網(wǎng)絡(luò)每次采集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)都需要消耗能量,所以網(wǎng)絡(luò)的剩余能量均值會降低。同時本文提出的路由協(xié)議(CCERP)的網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量高于其他3種路由協(xié)議,其中最短路徑路由協(xié)議的剩余能量最低,EE-LEACH協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)的剩余能量高于傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議,因為CCERP路由協(xié)議在分簇方面較符合能耗均衡性的要求,使得簇首節(jié)點不會過早死亡,因此簇首間的路由比較穩(wěn)定,降低了簇首間重新進行路由選擇而消耗的能,但是EE-LEACH并沒有充分考慮簇規(guī)模大小對能耗均衡性的影響,因此隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行,距離Sink節(jié)點較近的簇首節(jié)點需要為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)大量的數(shù)據(jù),當某些簇首節(jié)點死亡后簇首需要重選進行路由選擇而消耗能量,而LEACH路由協(xié)議需要簇首直接與Sink節(jié)點進行通訊,在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點與Sink節(jié)點距離非常遠,因此消耗了大量的能量。

4.3 網(wǎng)絡(luò)生存時間分析

網(wǎng)絡(luò)的生存時間與網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的能耗均衡性息息相關(guān),如果路由協(xié)議只考慮最短路徑將數(shù)據(jù)包傳輸至Sink節(jié)點,則勢必會使網(wǎng)絡(luò)陷入局部過熱問題,在“熱區(qū)”中的傳感器節(jié)點容易提早死亡,從而大大降低了網(wǎng)絡(luò)的生存時間,因此設(shè)計路由協(xié)議時需要考慮節(jié)點的能耗均衡原則。本文提出的CCERP能耗均衡路由協(xié)議綜合考慮了節(jié)點的剩余能量、節(jié)點距離Sink節(jié)點的跳數(shù)、節(jié)點度等因素,最終實驗結(jié)果如圖6所示,橫坐標為網(wǎng)絡(luò)進行的輪數(shù),縱坐標為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點死亡的數(shù)量。

圖6 死亡節(jié)點數(shù)量

實驗結(jié)果表明隨著網(wǎng)絡(luò)輪數(shù)的進行,網(wǎng)絡(luò)中會逐漸出現(xiàn)死亡節(jié)點。最先出現(xiàn)死亡節(jié)點的是最短路徑路由協(xié)議,因為該協(xié)議只考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖疃烫鴶?shù),并沒有考慮能耗均衡性,其次是LEACH路由協(xié)議出現(xiàn)了死亡節(jié)點,因為該協(xié)議的簇首選擇是隨機性的,同樣不能避免“熱區(qū)”問題,EE-LEACH路由協(xié)議在傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上考慮了簇首能耗均衡問題,因此出現(xiàn)死亡節(jié)點的時間比LEACH晚。本文提出CCERP路由協(xié)議在進行了16輪數(shù)據(jù)采集后還未出現(xiàn)死亡節(jié)點,因為本文提出的路由協(xié)議不管在簇首選擇、成簇過程和簇間路由方面都充分考慮了能耗的均衡性。如果以第1個節(jié)點死亡表示網(wǎng)絡(luò)的死亡,則本文提出的路由協(xié)議能夠大大延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

4.4 平均跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)生存時間

網(wǎng)絡(luò)的生存時間與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)息息相關(guān),跳數(shù)越多,消耗的能量越大,網(wǎng)絡(luò)生存時間越短。傳感器節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包的跳數(shù)和簇規(guī)模的大小相關(guān),簇規(guī)模越大,則跳數(shù)越少,簇規(guī)模的大小可通過式(4)中的常數(shù)h控制。實驗研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的平均跳數(shù)和網(wǎng)絡(luò)生存時間的關(guān)系,實驗中共進行了30輪簇首調(diào)整,每輪調(diào)整采集500次數(shù)據(jù),結(jié)果如圖7所示,橫坐標為網(wǎng)絡(luò)的平均跳數(shù),縱坐標為傳感器網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點的平均數(shù)量。

實驗結(jié)果表明平均跳數(shù)在5、6跳之間時網(wǎng)絡(luò)的生存時間最大,出現(xiàn)的死亡節(jié)點數(shù)量最少,而少于5跳時雖然簇首節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)少了,但是每一跳需要轉(zhuǎn)發(fā)的距離較長,因此網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡性較差,而島嶼6跳時,每個簇的規(guī)模較小,需要轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)增加,因此消耗了較多的能量且能耗均衡性較差,因此網(wǎng)絡(luò)的平均跳數(shù)在5、6跳左右時,能夠較好的均衡轉(zhuǎn)發(fā)距離和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)消耗的能量,達到較好的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性。

圖7 平均跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)生存時間圖

5 總結(jié)

本文提出的分簇路由協(xié)議創(chuàng)新之處在于在位置未知的傳感器網(wǎng)絡(luò)中通過距離Sink節(jié)點的跳數(shù)控制簇首競爭半徑,從而達到控制簇規(guī)模的目的,在成簇過程中使用虛擬力模型綜合考慮了普通節(jié)點與簇首節(jié)點的剩余能量以及信號強度最終普通節(jié)點根據(jù)虛擬力大小選擇加入合適的簇首,并且簇首間多跳通訊也綜合考慮了簇首距離Sink節(jié)點的最短跳數(shù)、簇首的剩余能量和簇首的度,因此在簇首選舉、成簇過程、簇間通訊都充分考慮了網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性,實驗結(jié)果驗證了該協(xié)議具有較好的能耗均衡性能。后續(xù)將針對能耗均衡分簇路由問題繼續(xù)深入研究。

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