李安超，陳桂芬

(長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,長春 130022)(*通信作者電子郵箱chenguif@163.com)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由協(xié)議自組織形成的網(wǎng)絡(luò)[1]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，處理能力與攜帶能量有限，因此研究合理高效的路由協(xié)議顯得極為重要。合理的路由協(xié)議能有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)能量效率。路由協(xié)議可以根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為平面型與分簇型路由協(xié)議[2]。相比平面型路由協(xié)議，分簇型路由協(xié)議[3]可拓展性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)異，更適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

低能量自適應(yīng)分群分層(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy， LEACH)協(xié)議是一種經(jīng)典分簇型路由協(xié)議，該協(xié)議在每輪數(shù)據(jù)采集中，隨機(jī)選取部分節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首，通過單跳形式與基站通信。針對(duì)其未考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的問題，Heinzelman等[4]提出了基于節(jié)點(diǎn)能量的改進(jìn)(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Enhanced， LEACH-E)協(xié)議。Qing等[5]將LEACH協(xié)議應(yīng)用于能量異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并提出了改進(jìn)的分布式能量有效成簇協(xié)議(Distribute Energy-Efficient Clustering protocol， DEEC)，該協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率，性能較LEACH協(xié)議更加優(yōu)異；但DEEC未考慮節(jié)點(diǎn)的位置因素且魯棒性不高的缺點(diǎn)仍然存在。李安超等[6]改進(jìn)簇首當(dāng)選公式，綜合考慮節(jié)點(diǎn)能量與位置，設(shè)立雙閾值以提高能量利用率；但仍為單跳通信網(wǎng)絡(luò)，簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重。周冬鑫等[7]將分層多跳的思想引入分簇路由協(xié)議中，提出了基于分層多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議(Layer Based Multi-hop Clustering routing protocol for wireless sensor networks, LBMC)，LBMC根據(jù)通信代價(jià)分層的基礎(chǔ)計(jì)算每層最佳簇首數(shù)量，簇首間采用多跳通信，均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；但仍采用均勻分簇思想，簇首分布不合理。

分簇路由協(xié)議中靠近基站的簇首同時(shí)執(zhí)行接收、融合和傳輸數(shù)據(jù)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)重，很容易因能量耗盡而失效。這一現(xiàn)象被稱為“能量熱區(qū)”問題。為解決這一問題，Soro等[8]經(jīng)過研究，提出了非均勻分簇的思想。李成法等[9]提出了一種能量有效非均勻分簇(Energy-Efficient Uneven Clustering， EEUC)協(xié)議，對(duì)解決“能量熱區(qū)”問題十分有效。EEUC協(xié)議通過設(shè)立競爭半徑，使靠近基站的簇規(guī)模變小，均衡簇首能量消耗；但簇首隨機(jī)選取，很容易使能量較低且遠(yuǎn)離基站的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首；同時(shí)在簇間多跳階段，僅以距離作為中繼節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，很容易產(chǎn)生局部最優(yōu)整體較差現(xiàn)象。蔣暢江等[10]提出了一種分布式能量均衡非均勻成簇協(xié)議(Distributed Energy-Balanced Unequal Clustering routing protocol， DEBUC)。DEBUC基于時(shí)間的簇首競爭機(jī)制，廣播時(shí)間取決于簇首的剩余能量和鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，同時(shí)，控制簇首競爭半徑，使靠近基站的簇群規(guī)模較小，以解決“能量熱區(qū)問題”，但DEBUC沒有限制簇群規(guī)模上限，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域邊緣的簇群規(guī)模過大，消耗大量能量。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議(Hierarchical Routing Protocol for wireless sensor networks based on Non-uniform Clustering， HRPNC)，HRPNC通過分層機(jī)制改進(jìn)簇首競爭公式，將簇群規(guī)模限定在一定范圍內(nèi)，避免了簇群規(guī)模過大的現(xiàn)象；但HRPNC未能考慮簇首剩余能量和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，存在能量利用率不高的問題。

針對(duì)以上協(xié)議的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于奇偶輪成簇和雙簇首的非均勻分簇協(xié)議(Uneven Clustering protocol based on Odd-even round clustering and Double cluster head, UCOD)：UCOD設(shè)立雙簇首和奇偶輪不同的入簇機(jī)制，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率；對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)，簇首根據(jù)能量、位置、轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和周圍節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇多跳中繼節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與DEBUC和HRPNC相比，UCOD能夠有效地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高系統(tǒng)魯棒性，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

1 相關(guān)工作

1.1 異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)分簇路由協(xié)議的應(yīng)用環(huán)境為同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，要求部署的節(jié)點(diǎn)所有屬性完全一致，協(xié)議要求十分嚴(yán)格。在近幾年的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中，異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸走進(jìn)人們的視野。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的感測、計(jì)算、能量和通信能力劃分為4種類型：計(jì)算能量異構(gòu)型、節(jié)點(diǎn)能量異構(gòu)型、鏈路異構(gòu)型和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議異構(gòu)型[12]。在實(shí)際中，由于運(yùn)輸、電池批次、存儲(chǔ)等問題，節(jié)點(diǎn)配置的初始能量不可能完全相同，因此節(jié)點(diǎn)能量異構(gòu)型傳感器網(wǎng)絡(luò)更易實(shí)現(xiàn)且更符合實(shí)際。

多級(jí)能量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能量模型如下。

在多級(jí)能量異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)不同的能量增益倍數(shù)ai，假設(shè)初始最低能量為Eo，則所有節(jié)點(diǎn)的能量被限制在最小值Eo、最大值Eo(1+amax)的范圍內(nèi)，其中amax為所有能量增益倍數(shù)ai的最大值。

本文采用文獻(xiàn)[13]中的無線通信能量消耗模型。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量可分為發(fā)送數(shù)據(jù)能耗ETX(l,d)和接收數(shù)據(jù)能耗ERX(l)兩部分。能耗公式如式(1)：

(1)

其中：d為兩節(jié)點(diǎn)間的通信距離；當(dāng)d

ERX(l)=lEelec

(2)

Ec=(M+1)lEDA

(3)

(4)

其中：EDA為單位數(shù)據(jù)融合的能耗；M為簇內(nèi)成員的節(jié)點(diǎn)數(shù)。在數(shù)據(jù)融合階段，目前已經(jīng)有很多性能優(yōu)異的融合協(xié)議[14]，本文中假設(shè)采集的數(shù)據(jù)具有一定的冗余性，簇首節(jié)點(diǎn)可以將簇內(nèi)采集的數(shù)據(jù)融合成一定長度的數(shù)據(jù)包并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

為了避免其他因素產(chǎn)生影響，本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)定以下性質(zhì)：

1)節(jié)點(diǎn)具有唯一的編號(hào)(ID)，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，且部署后不再移動(dòng)；

2)基站位置固定且處理能力與能量無限；

3)節(jié)點(diǎn)具有位置感知能力，可根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度RSSI定位各自位置[15]；

4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有與基站直接通信的能力；

5)節(jié)點(diǎn)通信功率可以根據(jù)通信距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 基于奇偶輪成簇的非均勻分簇機(jī)制

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在“能量熱區(qū)”和系統(tǒng)魯棒性較差的問題，提出了一種基于奇偶輪成簇和雙簇首的非均勻分簇路由協(xié)議(UCOD)。該協(xié)議實(shí)現(xiàn)步驟包括兩個(gè)部分，簇首選取算法及簇間多跳路由算法。圖1為非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。

圖1 非均勻分簇網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

2.1 簇首選取算法

在簇首選取階段，根據(jù)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的剩余能量、位置分布及競爭半徑確定主副簇首節(jié)點(diǎn)。算法1給出了節(jié)點(diǎn)參與簇首競爭選取階段的算法偽代碼。

算法1 簇首競爭選取算法。

1)μ← RAND(0,1)

2) Ifμ

3)beViceHead← true

4) End if

5) IfbeViceHead=true then

6) Broadcast VICE_HEAD_MSG(ID,Rc,Er)

7) Else

8) Exit

9) End if

10) On receiving a VICE_HEAD_MSG formsi

11) Ifd(si,sj)

12) Addsjtosi .CH

13) End if

14) WhilebeViceHead=true do

15) Ifsj∈si .CH,mj=max(mi .CH) then

16) Broadcast MAIN_HEAD_MSG(ID) and then exit

17) End if

18) On receiving a MAIN_HEAD_MSG formsj

19) Ifsk∈si .CHthen

20) Broadcast QUIT_ELECTION_MSG(ID) and then exit

21) End if

22) End while

下面對(duì)算法1進(jìn)行解釋。算法第1)～9)行是副簇首(ViceHead)當(dāng)選過程。由于副簇首節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)至基站，所以副簇首距離基站的遠(yuǎn)近顯得格外重要，副簇首當(dāng)選概率公式如式(5)：

(5)

在選取副簇首時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生0到1的隨機(jī)數(shù)，若該隨機(jī)數(shù)小于設(shè)定的閾值，則該節(jié)點(diǎn)成為副簇首節(jié)點(diǎn)。閾值如式(6)：

(6)

pi可以從式(5)確定。從式(5)～(6)中可以看出，節(jié)點(diǎn)距離基站越近且剩余能量越大，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選副簇首的概率越高。當(dāng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選副簇首后，廣播副簇首信息VICE_HEAD_MSG，簇首信息包括當(dāng)選節(jié)點(diǎn)的ID、競爭半徑Rc和當(dāng)前剩余能量Er。

算法第10)～13)行是副簇首競選過程。從能量模型的角度分析，當(dāng)兩個(gè)副簇首節(jié)點(diǎn)距離很近時(shí)，會(huì)造成簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布不均，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)能量，因此，本文在副簇首的選取上引入了非均勻的競爭半徑。如圖2所示。S1、S3可以當(dāng)選副簇首，而S2不能當(dāng)選，因?yàn)镾2位于S1的競爭半徑范圍內(nèi)。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)副簇首節(jié)點(diǎn)確定，在其淘汰半徑內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)均失去競爭簇首的機(jī)會(huì)。競爭半徑公式如式(7)：

Rc=[μ(di-dmin)/(dmax-dmin)+

(7)

其中：Rmax是競爭半徑的最大取值；di表示當(dāng)前副簇首節(jié)點(diǎn)距離基站距離，dmin和dmax分別代表節(jié)點(diǎn)距離基站最近與最遠(yuǎn)距離；μ代表一個(gè)可變參數(shù)，可以根據(jù)檢測區(qū)域的面積及節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。在非均勻分簇協(xié)議中，靠近基站的簇首不僅需要接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，還需接收來自簇首間的數(shù)據(jù)，因此靠近基站的簇首的競爭半徑應(yīng)較??；同時(shí)大的競爭半徑意味著簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，需要較大的能量以支撐。

圖2 節(jié)點(diǎn)競爭示意圖

副簇首選定后，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)最近的副簇首進(jìn)行入簇。在簇內(nèi)，進(jìn)行主簇首的選取過程。見算法第14)～17)行。由于主簇首主要收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，因此，選擇距離所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離最近且能量較高的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選主簇首最為合理，同時(shí)，主簇首還需將壓縮數(shù)據(jù)傳送至副簇首，主副簇首節(jié)點(diǎn)間的距離也是影響主簇首當(dāng)選的因素。綜合上述分析，設(shè)定的主簇首當(dāng)選公式如式(8)：

(8)

(9)

圖3 UCOD系統(tǒng)模型

從第二輪循環(huán)開始，為減少節(jié)點(diǎn)頻繁參與簇首選取過程，設(shè)定奇數(shù)輪中全局節(jié)點(diǎn)選取簇首，偶數(shù)輪中簇首從奇數(shù)輪簇內(nèi)選取，這樣，將減少一半節(jié)點(diǎn)因入簇選擇所消耗的能量。在偶數(shù)輪中，副簇首選取的機(jī)制可以簡化為式(10)：

(10)

其中：dmax′表示該簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離基站的最遠(yuǎn)距離；davg′表示該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)距離基站的平均值。

主簇首的選擇可以利用式(8)選出。簇首選取算法流程如圖4所示。

圖4 簇首選取算法流程

2.2 簇間多跳路由協(xié)議

當(dāng)主副簇首選定后，將執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和傳輸過程；同時(shí)副簇首間采用多跳通信方式最終將數(shù)據(jù)匯聚到基站。傳統(tǒng)的多跳路由協(xié)議(如EEUC協(xié)議)主要考慮兩個(gè)指標(biāo)：節(jié)點(diǎn)距離中繼節(jié)點(diǎn)的位置d2(si,sj)和中繼節(jié)點(diǎn)到基站的位置d2(sj,BS)，并最終使評(píng)價(jià)指標(biāo)Erelay=d2(si,sj)+d2(sj,BS)獲得最小的待選節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。這樣的機(jī)制，很容易造成局部評(píng)價(jià)指標(biāo)最好而整體評(píng)價(jià)指標(biāo)較差的局部最優(yōu)現(xiàn)象，因此，本文將網(wǎng)絡(luò)劃分為多級(jí)同心圓網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每一級(jí)圓環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用不同的多跳方式，分層考慮中繼節(jié)點(diǎn)的選擇。網(wǎng)絡(luò)劃分如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖

假定Δd如式(11)：

(11)

其中c為待定系數(shù)，可以根據(jù)檢測區(qū)域的面積進(jìn)行調(diào)整。假設(shè)檢測區(qū)域邊長為D，基站位于檢測區(qū)域外，共劃分為K級(jí)同心圓網(wǎng)絡(luò)。為了使K級(jí)同心圓網(wǎng)絡(luò)能完全覆蓋檢測區(qū)域，需滿足KΔd≥D，對(duì)上述公式進(jìn)行求解可以得出c系數(shù)的公式：

c≥D/(Kd0)

(12)

同時(shí)，當(dāng)Δd≥d0的情況下，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)環(huán)節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重，不利于網(wǎng)絡(luò)能量均衡，因此，最終確定的c系數(shù)的公式如式(13)：

1≥c≥D/(Kd0)

(13)

網(wǎng)絡(luò)劃分確定后，在Ⅰ級(jí)內(nèi)節(jié)點(diǎn)(d(sj,BS)<Δd)直接與基站進(jìn)行通信；在Ⅱ級(jí)以上的節(jié)點(diǎn)(d(sj,BS)>Δd)選擇多跳通信方式與基站通信。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)最大轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)公式如式(14)：

T=floor(d(sj,BS)/Δd)

(14)

其中floor()函數(shù)代表向上取整函數(shù)。

在多跳執(zhí)行階段，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇按照逐級(jí)遞減的方式進(jìn)行，如Ⅲ級(jí)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與基站通信的路線為Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ。中繼節(jié)點(diǎn)的選擇可以根據(jù)下一跳節(jié)點(diǎn)的位置、剩余能量、轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和周圍節(jié)點(diǎn)數(shù)決定。評(píng)價(jià)指標(biāo)如式(15)所示：

(15)

2.3 算法復(fù)雜度分析

假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，每輪選取K個(gè)主簇首和K個(gè)副簇首，下面分析整體算法的復(fù)雜度。

首先由K個(gè)副簇首節(jié)點(diǎn)當(dāng)選，廣播K條VICE_HEAD_MSG消息；然后簇內(nèi)選取主簇首，同樣廣播K條MAIN_HEAD_MSG消息；接著競爭失敗的簇首廣播N-2K條QUIT_ELECTION_MSG消息和N-2K條JOIN_CLUSTER_MSG入簇消息。在偶數(shù)輪，由于節(jié)點(diǎn)不需要入簇選擇，所以算法整體消息開銷為：

K+K+0.5×(N-2K)+0.5×(N-2K)=N

(16)

算法整體復(fù)雜度為O(N)，說明算法開銷較小。

3 仿真分析

在仿真分析環(huán)節(jié)，硬件環(huán)境為Intel Core i5- 3337U處理器，4 GB內(nèi)存；軟件環(huán)境為Windows 10 x64；仿真軟件為Matlab R2013b。為了驗(yàn)證UCOD的性能，通過與DEBUC和HRPNC進(jìn)行比較，從簇首生成數(shù)量、能量效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面進(jìn)行性能分析。為了保持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，將三種協(xié)議置于多級(jí)能量異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如表1所示。

3.1 簇首特性

UCOD改進(jìn)了DEBUC所提出的競爭半徑公式。從式(7)可以看出，UCOD的競爭半徑主要由參量μ和最大競爭半徑Rmax所決定。圖6為不同μ參數(shù)下生成的簇首數(shù)對(duì)比。

圖6為不同μ參數(shù)下UCOD簇首生成數(shù)對(duì)比。從圖6中可以看出，隨著最大競爭半徑的增大，簇首數(shù)不斷減少。這是因?yàn)樵酱蟮母偁幇霃揭馕吨W(wǎng)絡(luò)需要越少的簇首來覆蓋整個(gè)監(jiān)測區(qū)域。UCOD中μ參量對(duì)簇首數(shù)也產(chǎn)生著很大的影響，當(dāng)μ=0.25、0.75時(shí)，整體簇首數(shù)少于當(dāng)μ=0.45時(shí)生成的簇首數(shù)。這是因?yàn)閁COD中競爭半徑由兩因素構(gòu)成：位置與能量，當(dāng)μ取值較小時(shí)，競爭半徑著重考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，剩余能量較大的簇首擁有更大的競爭半徑和更多的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，充足的能量可以保證簇內(nèi)正常的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)μ取值較大時(shí)，競爭半徑著重考慮節(jié)點(diǎn)位置，距離基站較近的簇首擁有較小的競爭半徑，可以預(yù)留能量轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。μ值偏大或偏小都會(huì)導(dǎo)致競爭半徑考慮單一因素，不能綜合位置與能量進(jìn)行分析。

表1 仿真參數(shù)

圖6 簇首生成數(shù)與μ、Rmax關(guān)系

3.2 能量效率

在能量效率比較環(huán)節(jié)，將UCOD與DEBUC、HRPNC相比較，以網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)能量消耗、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸為指標(biāo)進(jìn)行分析。

圖7為三種協(xié)議能量效率對(duì)比。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量小于10%時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不能繼續(xù)工作，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期應(yīng)以剩余10%節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)。從圖7(a)網(wǎng)絡(luò)生命周期對(duì)比中可以看出，UCOD能有效地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。DEBUC網(wǎng)絡(luò)生命周期為1 241輪，UCOD網(wǎng)絡(luò)生命周期為1 594輪，比DEBUC提高了28.4%。這是由于UCOD采用了奇偶輪不同的成簇機(jī)制，使全局節(jié)點(diǎn)減少入簇選擇所消耗的能量；多跳機(jī)制中，簇首根據(jù)剩余能量、位置、轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和周圍節(jié)點(diǎn)數(shù)確定中繼節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸更加高效。

另一方面，HRPNC的網(wǎng)絡(luò)生命周期為1 401輪，UCOD比HRPNC提高了13.7%。這是因?yàn)閁COD引入了雙簇首并改進(jìn)簇首競爭半徑公式，提高了能量效率，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

圖7(b)為網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)對(duì)比。UCOD傳輸12×104b數(shù)據(jù)，HRPNC傳輸10×104b數(shù)據(jù)，DEBUC傳輸6×104b數(shù)據(jù)。UCOD傳輸數(shù)據(jù)量分別比HRPNC和DEBUC提高了20%和100%，一方面，UCOD擁有更長的生命周期，意味著可以傳輸更多的數(shù)據(jù)；另一方面，UCOD引入主副簇首機(jī)制，使簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸更加高效。

圖7(c)為網(wǎng)絡(luò)能量消耗對(duì)比?？梢钥闯?，在相同的初始網(wǎng)絡(luò)能量下，三種協(xié)議消耗的網(wǎng)絡(luò)總能量曲線最終重合，與初始設(shè)定相符；但從三種協(xié)議能量消耗曲線斜率來看，DEBUC>HRPNC>UCOD，能量消耗曲線斜率代表網(wǎng)絡(luò)能耗的高低，表明UCOD相比另兩種協(xié)議能耗更低。UCOD改進(jìn)了主副簇首選取公式：主簇首選取上著重考慮簇間各節(jié)點(diǎn)間距離與剩余能量；副簇首選取上著重考慮剩余能量與到基站的距離，相比DEBUC和HRPNC優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)能量效率。

圖7(d)為節(jié)點(diǎn)剩余能量方差對(duì)比。由于采用能量異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在初始階段三種協(xié)議節(jié)點(diǎn)剩余能量方差相同且不為零。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，可以看出，UCOD節(jié)點(diǎn)剩余能量方差明顯小于DEBUC和HRPNC，這說明UCOD通過構(gòu)建合理的多跳機(jī)制，平均節(jié)點(diǎn)剩余能量，均衡網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載。

圖7 三種協(xié)議能量效率對(duì)比

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

在這一環(huán)節(jié)，分別以丟包率和不同參數(shù)δ下網(wǎng)絡(luò)生命周期為指標(biāo)研究UCOD的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在丟包率對(duì)比環(huán)節(jié)，人為毀壞部分簇首節(jié)點(diǎn)來模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)突變情況。設(shè)定單簇首網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)傳送至基站，UCOD中副簇首節(jié)點(diǎn)擔(dān)任主副簇首任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行工作。

圖8為不同簇首損壞率下的丟包率對(duì)比。

圖8 三種協(xié)議的丟包率對(duì)比

從圖8中可以看出隨著簇首損壞率的上升，三種協(xié)議的丟包率也隨之上升，在簇首損壞率50%的條件下，UCOD丟包率為18.0%，DEBUC為57.1%，HRPNC為45.5%，UCOD丟包率比DEBUC和HRPNC分別減少了39.1和27.5個(gè)百分點(diǎn)。這是由于DEBUC和HRPNC簇首損壞后，節(jié)點(diǎn)只能被迫選擇直接與基站通信，部分節(jié)點(diǎn)因大量耗能而死亡，從而使丟包率上升；而UCOD采用雙簇首機(jī)制，在部分簇首節(jié)點(diǎn)損壞后網(wǎng)絡(luò)仍能以單簇首網(wǎng)絡(luò)的形式正常工作。

圖9為不同參數(shù)δ下UCOD的生命周期變化。δ參數(shù)直接決定主簇首開始休眠時(shí)的能量門限，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)作影響很大。由于DEBUC與HRPNC并無參數(shù)δ，本次仿真僅作單獨(dú)實(shí)驗(yàn)。

圖9 不同參數(shù)δ下生命周期對(duì)比

從圖9中可以看出：當(dāng)δ取0.3時(shí)，UCOD網(wǎng)絡(luò)生命周期最長；在δ小于0.3時(shí)，會(huì)導(dǎo)致主簇首節(jié)點(diǎn)剩余能量不足以支撐一輪數(shù)據(jù)采集所消耗的能量而導(dǎo)致死亡；而δ過大會(huì)導(dǎo)致主簇首大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)能量效率。隨著δ的不斷增大，生命周期趨于平穩(wěn)，這是由于此時(shí)網(wǎng)絡(luò)大部分副簇首執(zhí)行主副簇首功能，類似單簇首網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中“能量熱區(qū)”和系統(tǒng)魯棒性較差的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于奇偶輪入簇和雙簇首的非均勻分簇路由協(xié)議(UCOD)。該協(xié)議引入雙簇首和奇偶輪不同的入簇機(jī)制，改進(jìn)簇首競爭半徑公式，并基于節(jié)點(diǎn)分級(jí)實(shí)現(xiàn)多跳傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，UCOD比起DEBUC和HRPNC能有效地提高網(wǎng)絡(luò)生命周期、數(shù)據(jù)傳輸、能量效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于本文對(duì)節(jié)點(diǎn)空間定位技術(shù)只是簡單引用，并未考慮空間定位算法對(duì)路由協(xié)議的影響，下一步工作中將對(duì)空間定位技術(shù)進(jìn)行研究，使UCOD在均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載上更加完善。