淺析基于能耗均衡的 WS N 分簇路由協議

劉珺 李宗伯

（國防科學技術大學湖南長沙410073）

在互聯網發展中，一些具備一定計算和聯絡作用的傳感器通過彼此的配合協作而建立起一種叫做無線傳感器的網絡WSN ( Wireless SensorNetwork) 。這種網絡的部署條件比較特別，如郊外、戰役、考試、火災現場，一般情況下系統的配置形式是節點的隨機分布。因為資金以及系統大小等因素的影響對節點進行的電量補充變得十分困難，所以對于這種類型的 WSN 來說，能耗問題是首要需要考慮的［1］。所以說在使用分簇路由協議的過程中如果措施合理有效，可以降低聯絡總值、通信問題和加快傳播速度，在一定的程度上提高通信效率以及降低能耗，是得各個節點上的能耗值有所下降，延長裝備的使用壽命［2］。在這里筆者特定的環境作為研究分析的前提，暫且忽視一些不良因素對聯絡通信途徑以及效果的影響。

一、相關知識點

1、 LEACH 協議的分簇機制

在所有的分簇路由協議中，LEACH ［10］是最具代表性的一種，該系統內部節點在收集到所需信息之后傳遞給簇頭，簇頭將其直接轉發到Sink。LEACH主要的工作原理是：在轉動的過程中，選擇簇頭節點，但是不受任何標準規范的限制，在這個過程中將所有的電能負荷都調配給全部的節點，要注意均衡性，這樣做可以有效的降低網絡使用過程中的能耗量，同時也可延長設備的使用壽命。在該協議里面，節點成為簇頭的概率與節點數、簇頭比例和輪數有關，而且這些數據的形成存在很大的隨意性。在簇頭的選擇過程中一定要想要的一點就是必須最大程度的降低網絡使用過程中的能耗量，在經過一系列的數據試驗與推斷之后，最佳的簇頭數量比值應該是6%［10］。傳感器節點 n隨機生成一個( 0，1)之間的隨機數，并且與閾值函數 T( n) ：

經過對比，其中 P 為簇頭比例，r 為已完成的輪數，Gr為在最近的 1/P 輪中未沒有被選中的節點的匯集。要是在選擇粗頭的過程中，任意性低于這個數值，那么就可以對其進行選定。

2、簇間路由

為了有效的減少外界帶來的影響，在WSN 中，簇內與簇間在的聯絡頻率這一方面具有很明顯的不同之處［10］。信息資料依靠的幾個簇頭之間相互傳遞，但是信息資料卻無法在相隔離的簇頭以及相隔比較遠的簇頭之間進行傳遞，因為在第二種情況下網絡能耗會出現大幅度上升的趨勢，但簇內節點不需要充當網關，EBCRP的內容不難。在沒有實線的情況下，選擇下一跳進行中繼實際上是協調安排合適的鄰居節點進行數據接收、處理和轉發。以具體的能耗量作為參考依據，沒一個節點之間的距離最好控制在一定的范圍之內。

二、EBCRP 協議

在具體的操作過程中應該以WSN 的主要特征作為參考標準，EBCRP內容必須要符合： 區域自治、冗余數據融合、路由時盡量一特定范圍內的數據資料作為選擇依據、同時要符合計算簡潔的具體要求。

1、隨距離變化的簇頭概率

所有的粗頭都有中繼作用，離 Sink 越近的簇頭，在網絡運行的過程中消耗掉的能量就會越多。如果距離 Sink 的越近的地方簇頭的數量越多，就越能降低中繼過程中產生的總能耗。所以，在經驗因子的選擇工作中必須要堅持適度的原則。假設整個網絡區域的半徑為 R，d是節點與 Sink 的距離，采用 exp ［( R － d) / R］、1 － ( R － d) / R、a(R－d)/R( a＞1) 等各種距離 d 的反比例函數因子進行多次仿真測試，這種類型的測試也應該遵循任意性原則，測試結果顯示，在經驗因子為 1． 5(R－d)/R的時候，可得公式為：

2、便于數據融合的等待措施

協議內容中明確指出了中繼數據的融合，同時有設置有等待體系，但中繼數據的融合組大比值為99%，這就使得EBCRP有了更大的發展余地; 對簇內信息進行調整，調整比值設定為 71%。離Sink 有一定距離的簇頭在延長時間上顯得有些太長，距 Sink 較近的簇頭等待時間較長，以便中繼簇頭對更多的簇間數據進行融合。本文的仿真條件下，EBCRP 具體使用時間 T 的大小可以用下面得式子來表示：

在這個公式中， d 表示節點與Sink 之間的遠近，時間單位為 s。10 和100 在這里表示的是調節的功效，可以取其他值。根據客觀的網絡使用狀況及需求，可以對延長時間的數值進行套正。根據網絡使用環境來調整延長時間的長短。

3、對距離、角度的路由進行科學的判斷

在簇內，EBCRP 協議采用與 LEACH 協議相同的節點單跳傳輸數據至簇頭的路由方式。在進行簇間路由選擇的時候，最好選擇間距合理而且節點小的類型。所以，可以利用

的總值來對中繼簇頭進行衡量，其中 a 是夾角，R 是半徑的代表，d 表示節點與 Sink 之間的間距。

結語：

筆者在文中對能耗均衡的分簇路由協議 EB-CRP進行了描述。該種類型的路由協議可以再很大的程度上提高 WSN 的服務質量，同時它還具有計算簡單等一系列的優點，適合普遍推廣使用。

【參考文獻】

[1]張瑤. 一種面向能耗均衡的WSN分簇路由算法的研究[D].湖南工業大學,2012.

[2]朱勇剛. 無線傳感器網絡節能策略的研究[D].南京理工大學,2012.

[3]李建洲,王海濤,陶安. 一種能耗均衡的WSN分簇路由協議[J]. 傳感技術學報,2013,03:396-401.

[4]張霞. 無線傳感器網絡路由協議若干關鍵問題研究[D].解放軍信息工程大學,2009.

[5]李洪兵. 基于蟻群算法的WSN路由算法研究[D].重慶理工大學,2011.

[6]馮江,吳春春. 基于能耗均衡的WSN多跳分簇路由算法[J]. 計算機工程,2012,16:104-107.