中圖分類號(hào)：TN929.5-34；TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-373X（2025）16-0013-06

Energy adaptivemulti-hop routing protocol based on RF-EHWSN

ZHAO Yifan1，2，RENLisheng1，2，WANGFang1，2 （1.SchoolofInformationScienceandTechnology，HebeiAgriculturalUniversity，BaodingO71ool，China; 2.HebeiKeyLaboratoryofAgricultural BigData，Baoding O71oo1，China）

Abstract：In alusiontothe problem thatthe traditional low energyadaptiveclustering hierarchy （LEACH）protocol inradio frequencyenergy harvestingwirelessensor networks （RF-EHWSN）doesnotconsidertheremaining energyandcommunication distance of nodes intheclusterheadselection stage，resultingin highnodeenergyconsumptionandshorteningthenetwork life， as wellas theunbalancedenergyconsumptioncausedbysingle-hopdata transmision inthe steady-state phase，anenergyadaptiveclusteringandmulti-oproutingprotocolisproposed.Inthisprotocol，distanceandenergyfactorsareincoated duringthecluster formation phasetooptimize thecluster headselection process.Inthesteady-statephase，inter-clustermultihoproutingisemployed，whereclusterheadscanutilizeacostfunctiontoidentifyrelayroutingnodes，efectivelyreducing energyconsumptionduringdata transmision.Incomparison with the LEACHand LEACH-C protocols，the proposed protocol canextend the time until the first node death by 344.44% and1O5.13% respectively，and the timeuntil all O nodes die by 86.44% and 23.53% ，respectively. The network energy consumption is reduced by approximately 23.53% and 22.00% ，while the throughputisincreasedby212.90%and18.52%，respectively.Theexperimentalresultsdemonstratethattheproposedprotocol can significantly prolong network lifespan，balance energy consumption，and enhance network throughput.

Keywords：radio frequency energy harvesting; wirelesssensornetwork; LEACH protocol; clustering protocol; inter-cluster multi-hop routing; network lifetime; energy consumption

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）作為21世紀(jì)信息技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)標(biāo)志性技術(shù)[，展現(xiàn)了巨大的潛力與影響力。然而，其深入發(fā)展與廣泛應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)在于節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)的限制，極大地影響了進(jìn)一步拓展。為了改善WSN面臨的能量受限桎梏，研究人員將能量收集技術(shù)應(yīng)用于其中，產(chǎn)生了能量收集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Energy-HarvestingWireless SensorNetwork，EH-WSN）[2-3]。近年來，通過收集環(huán)境中的射頻能、太陽能、風(fēng)能、振動(dòng)能等能量為傳感器節(jié)點(diǎn)供能逐漸成為研究熱點(diǎn)[45]。太陽能和風(fēng)能的使用會(huì)受到環(huán)境因素的限制，而射頻能量不受限于這些因素，有更廣闊的應(yīng)用場景。

傳統(tǒng)WSN研究的重點(diǎn)主要是在滿足基本通信要求的情況下，致力于最大限度地減少能源消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行壽命。為了做到超低功耗，難免要犧牲吞吐量、延遲等指標(biāo)，但隨著能量收集技術(shù)應(yīng)用到WSN中，節(jié)點(diǎn)可以補(bǔ)充能量，整體網(wǎng)絡(luò)壽命問題有了很大改善，不必將低功耗作為首要目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的重要性大大提升。因此，傳統(tǒng)路由協(xié)議不再適用于EH-WSN，需要專門的能量收集型協(xié)議來滿足新的需求。射頻能量收集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（RadioFrequencyEnergy HarvestingWireless SensorNetwork， RF-EHWSN）模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1RF-EHWSN模型結(jié)構(gòu)

RF-EHWSN不同節(jié)點(diǎn)與射頻發(fā)射源的距離不同，節(jié)點(diǎn)之間的能量收集能力差別較大。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于元啟發(fā)算法的動(dòng)態(tài)分簇協(xié)議，采用和聲搜索算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)分簇進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，與低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）相比，最大平均輪吞吐量提高了 133.33% 。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于自適應(yīng)混沌粒子群優(yōu)化算法下的中繼選擇策略。仿真結(jié)果顯示，該算法能快速、有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總吞吐量最大化。文獻(xiàn)[10]提出一種基于無線通信攜能技術(shù)的分層能量感知權(quán)值路由算法，與LEACH協(xié)議對(duì)比，該算法網(wǎng)絡(luò)首次出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間延長了66.67% 。

本文基于LEACH協(xié)議，提出一種能量自適應(yīng)多跳路由協(xié)議。該協(xié)議在簇首建立階段引入了距離因子、能量因子，設(shè)定閾值計(jì)算式；在穩(wěn)態(tài)階段采用簇間多跳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，簇首節(jié)點(diǎn)通過代價(jià)函數(shù)尋找中繼路由節(jié)點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的協(xié)議實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗的均衡分布，不僅成功延長了網(wǎng)絡(luò)的整體生命周期，還顯著提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，展示了其高效性和實(shí)用性。

1系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文在 L×L 的正方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包括1個(gè) Sink 節(jié)點(diǎn)和 n-1 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。通信半徑R_t 內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以相互通信和傳輸數(shù)據(jù)，最終所有數(shù)據(jù)將匯聚到Sink節(jié)點(diǎn)并發(fā)送到用戶主機(jī)端。對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型作出以下條件假設(shè)：

1）Sink節(jié)點(diǎn)和射頻能量發(fā)射源位置固定，Sink節(jié)點(diǎn)能量充足，能保證正常的能量消耗；2）節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中擁有唯一的標(biāo)識(shí)符（ID），且隨機(jī)分布；3）普通節(jié)點(diǎn)都為同種類型，初始能量相同，并且都具有射頻能量收集能力；4）區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)均可與Sink節(jié)點(diǎn)通信，且具備擔(dān)任簇首的能力；5）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理時(shí)產(chǎn)生的能耗相比于通信能耗少之又少，因此可以忽略。

1.2射頻能量補(bǔ)給模型

在射頻能量收集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)收集射頻能量并轉(zhuǎn)換為電能，為自身供電。射頻能量接收功率可用如下公式表示：

式中： G_r 為接收端的天線增益； G_t 為發(fā)射端的天線增益；

P_r 為發(fā)射端的功率； R 為發(fā)射端與接收端之間的距離； λ為波長。

傳感器節(jié)點(diǎn)從射頻能量發(fā)射源接收到的能量 E_c 計(jì)算公式如下：

E_c=ηP_rT

式中： η 是射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電的轉(zhuǎn)化效率； T 是通信周期。

1.3能量消耗模型

當(dāng) k bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的能量耗損以及功率放大電路的能量耗損[1]

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向距離為 d 的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸長度為k bit的信息時(shí)，其能耗如下所示：

式中： ε_mp 與 ε_fs 分別為多徑衰減、自由空間衰減信道兩種模型的信號(hào)放大系數(shù)； E_elec 為接收或發(fā)送1bit數(shù)據(jù)時(shí)的能耗； d₀ 為信道切換的閾值，是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)傳輸距離d0 ，選擇自由空間衰減能量消耗模式；當(dāng) d?d₀ ，采用多徑衰減能量消耗模式。 d₀ 公式如下：

接收方的能耗為：

E_RX=E_elec?k

2能量自適應(yīng)多跳路由協(xié)議描述

2.1 LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議按“輪\"工作，其每一輪循環(huán)被劃分為簇建立階段和穩(wěn)態(tài)階段。在簇建立的初始化階段，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均會(huì)獨(dú)立生成一個(gè)位于0～1內(nèi)的隨機(jī)數(shù)值。隨后，節(jié)點(diǎn)會(huì)將其生成的隨機(jī)數(shù)與當(dāng)前輪次所設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比。若節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)大于當(dāng)前輪次的閾值，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)成為本輪次的簇首節(jié)點(diǎn)，反之成為普通節(jié)點(diǎn)[12]。閾值 T（n） 可表示為：

式中： P 為簇首節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所占的比例； r 為目前已經(jīng)循環(huán)的迭代周期； G 為最近 1/P 輪沒有當(dāng)選過簇首節(jié)點(diǎn)的集合。

LEACH協(xié)議拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2LEACH協(xié)議拓?fù)鋱D

LEACH協(xié)議的不足如下：

1）等概率的簇首選舉機(jī)制可能造成剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)被選為簇首，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量過早耗盡，從而縮短網(wǎng)絡(luò)的壽命；

2）在穩(wěn)態(tài)階段，節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)直接通信，遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)導(dǎo)致能量消耗劇增，從而降低了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.2能量自適應(yīng)多跳路由協(xié)議

本文提出的能量自適應(yīng)多跳路由機(jī)制依然遵循“輪\"的周期性執(zhí)行框架，每一輪周期性地包含兩個(gè)核心階段：首先是簇的建立階段，緊接著是穩(wěn)態(tài)通信階段。簇的建立階段被細(xì)化為兩個(gè)子階段，即簇首的選舉與節(jié)點(diǎn)的入簇過程。在簇建立過程中，引入了距離因子和能量因子來改進(jìn)LEACH協(xié)議中閾值 T（n） 計(jì)算公式，旨在避免節(jié)點(diǎn)過早耗盡能量，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，從而延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。在穩(wěn)態(tài)階段，數(shù)據(jù)傳輸采用簇間多跳路由，減少節(jié)點(diǎn)間的通信能耗，使能量消耗更均衡，能夠延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

2.2.1 簇建立階段

在簇的建立階段，節(jié)點(diǎn)距離射頻能量發(fā)射源越近，收集到的能量越多，同時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)與 Sink 節(jié)點(diǎn)的通信能耗會(huì)隨著距離增長呈指數(shù)級(jí)上升。為了減少數(shù)據(jù)聚合的能量消耗，本文提出的協(xié)議在簇首選舉時(shí)，引入距離因子 D_f， 其公式如下：

式中： d_min 和 d_max 分別表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)距離 Sink 節(jié)點(diǎn)的最小值和最大值; d（i，s） 為節(jié)點(diǎn) i 到Sink節(jié)點(diǎn)的距離，d（i，s） 越小，則距離因子 D_f 越大，該節(jié)點(diǎn)在本輪選舉中被選為簇首的概率就越大；反之，該節(jié)點(diǎn)被選為簇首的概率就越小。

由于簇首節(jié)點(diǎn)往往承擔(dān)著相較于簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)更為繁重的通信與數(shù)據(jù)處理任務(wù)，因此本文所提協(xié)議選舉簇首時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，避免低能節(jié)點(diǎn)當(dāng)選，并引入能量因子 E_f 作為選舉決策的關(guān)鍵參數(shù)。能量因子的公式如下：

式中： α，β 為設(shè)置的權(quán)重， α 和 β 的和為 1;E_last 代表上一輪該節(jié)點(diǎn)剩余能量； E_re（i） 是節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量； E_avg 為當(dāng)前所有節(jié)點(diǎn)平均剩余能量。 E_avg 計(jì)算公式如下：

如果節(jié)點(diǎn)在上一輪未被網(wǎng)絡(luò)選舉為簇首，則在該輪網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中成為簇首的概率會(huì)隨之增大。

本文提出的協(xié)議在簇首選舉時(shí)引人節(jié)點(diǎn)的能量因子 E_f 以及距離因子 D_f. 對(duì)閥值 T（n） 進(jìn)行改進(jìn)，如下：

在完成簇首選舉后，簇首節(jié)點(diǎn)將自身成為簇首的選舉結(jié)果以廣播的方式傳遞給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，具體包含節(jié)點(diǎn)身份ID、剩余能量。其他節(jié)點(diǎn)在接收到這一信息后，通過計(jì)算與每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的距離，選擇距離最近的簇首節(jié)點(diǎn)成為該節(jié)點(diǎn)的簇成員節(jié)點(diǎn)。

簇首選舉和加人過程的完成標(biāo)志著簇的建立完成，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)階段。簇首選舉流程如圖3所示。

5）循環(huán)步驟3）步驟4），當(dāng) n=1 ，簇首節(jié)點(diǎn)和 Sink 節(jié)點(diǎn)單跳傳輸數(shù)據(jù)。

6）結(jié)束。

簇間多跳路由流程如圖4所示。

圖3簇首選舉流程

圖4簇間多跳路由流程

2.2.2 穩(wěn)態(tài)階段

穩(wěn)態(tài)階段主要是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在LEACH協(xié)議中，分簇后普通節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)再單跳發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。單跳傳輸機(jī)制會(huì)導(dǎo)致簇間的能耗不均，遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)產(chǎn)生極高的能量消耗，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量過早耗盡，縮短網(wǎng)絡(luò)壽命，因此采用簇間多跳路由。協(xié)議具體步驟如下。

1）以 Sink 節(jié)點(diǎn)為中心，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間通信半徑 R_t ，將簇首節(jié)點(diǎn)劃分為 N 層。

2）簇首節(jié)點(diǎn) CH_i 在網(wǎng)絡(luò)第 n 層 （n=2，3，…，N） ，計(jì)算該簇首節(jié)點(diǎn)到 Sink 節(jié)點(diǎn)和第 n-1 層的鄰居簇首節(jié)點(diǎn)CH_m 的距離。

3）根據(jù)公式（12）計(jì)算 CH_i 到鄰居簇首CH的代價(jià)函數(shù)[13]：

式中： D_i～j 和 分別是簇首節(jié)點(diǎn) CH_i 到Sink節(jié)點(diǎn)和鄰居簇首節(jié)點(diǎn) CH_j 的距離； 為鄰居簇首節(jié)點(diǎn) CH_j 本輪的剩余能量。

4）根據(jù)式（13），選擇鄰居簇首 CH_p 為簇首 CH_i 的中繼路由節(jié)點(diǎn)：

這種機(jī)制有效地降低了節(jié)點(diǎn)間的通信距離和功耗，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，節(jié)點(diǎn)可以產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，提高了網(wǎng)絡(luò)能源利用率，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的整體性和可持續(xù)性。

3仿真結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)采用Matlab仿真工具。仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境為：在 100m×100m 的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署100個(gè)節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)在（100，100），射頻能量發(fā)射源在（50，50）。

目前已做出一套 915MHz 射頻能量自供能收集節(jié)點(diǎn)，為了后續(xù)實(shí)際應(yīng)用可行，仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)全部采用該套實(shí)物節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

本文將對(duì)LEACH協(xié)議、LEACH-C協(xié)議以及能量自適應(yīng)分簇多跳路由協(xié)議進(jìn)行仿真，并從節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)能耗三個(gè)方面進(jìn)行比較分析。

3.1節(jié)點(diǎn)存活情況對(duì)比

節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量對(duì)比結(jié)果如圖5所示。在圖5中，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的推移，各協(xié)議下的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量均呈現(xiàn)上升趨勢。LEACH協(xié)議約在180輪出現(xiàn)首個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)，約590輪全部死亡；LEACH-C協(xié)議在390輪出現(xiàn)首個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)，850輪全部死亡；本文提出的協(xié)議在簇首選擇和路由選擇中引入了能量因子和距離因子，因此大大延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，在800輪左右才出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，持續(xù)到1050輪左右節(jié)點(diǎn)才全部死亡。

表1仿真參數(shù)設(shè)置

圖5節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量對(duì)比結(jié)果

從整體看，本文協(xié)議與LEACH協(xié)議和LEACH-C協(xié)議相比，網(wǎng)絡(luò)首次出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間分別延長了344.44% 和 105.13% ；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)全部死亡的時(shí)間分別延長了 86.44% 和 23.53% 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的協(xié)議存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量始終遠(yuǎn)多于對(duì)比協(xié)議，有效延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

3.2吞吐量對(duì)比

從圖6所示的吞吐量對(duì)比結(jié)果可知，本文提出的協(xié)議與LEACH協(xié)議相比吞吐量提高了 212.90% ，與LEACH-C協(xié)議相比提高了 18.52% 。本文協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用簇間多跳路由，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的能耗更加均衡，從而延長了節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間，產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)包。

本文提出的協(xié)議產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包總數(shù)遠(yuǎn)高于LEACH協(xié)議和LEACH-C協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面的明顯提升，可以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性更高。

圖6吞吐量對(duì)比結(jié)果

3.3 網(wǎng)絡(luò)能耗對(duì)比

在圖7所示的網(wǎng)絡(luò)總能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)長達(dá)到400輪時(shí)，本文提出的協(xié)議相較于LEACH協(xié)議，降低了 59.18% 的能耗。網(wǎng)絡(luò)持續(xù)運(yùn)行至大約800輪時(shí)，其能耗相較于LEACH協(xié)議減少了 23.53% ，相較于LEACH-C協(xié)議也降低了約 22.00% 。對(duì)比3條能量曲線，在相同的時(shí)間跨度內(nèi)，本文所提協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗速率最低，證明了本文所提出的協(xié)議在均衡網(wǎng)絡(luò)能耗分配方面相較于其他兩種協(xié)議展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，能夠有效延長網(wǎng)絡(luò)的整體生存周期。

圖7網(wǎng)絡(luò)總能耗對(duì)比結(jié)果

4結(jié)語

本文基于LEACH路由協(xié)議，針對(duì)射頻能量收集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出一種能量自適應(yīng)分簇多跳路由協(xié)議。簇首的選擇綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量、到Sink節(jié)點(diǎn)的距離，使簇首選舉更加合理，均衡了簇間能耗，減少了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。穩(wěn)態(tài)階段數(shù)據(jù)傳輸采用簇間多跳路由，降低了遠(yuǎn)距離通信能耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗的均衡分布。這一改進(jìn)不僅顯著提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，還增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，確保了網(wǎng)絡(luò)在長時(shí)間運(yùn)行中能夠維持高效、穩(wěn)定的性能。

注：本文通訊作者為任力生。

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作者簡介：趙怡帆（1999—），女，人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟芰渴占蜔o線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。任力生（1971—），男，吉林通化人，碩士研究生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。王芳（1971—），女，人，博士研究生，教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與智能信息處理。