一種基于簇鏈式的異構WSN路由協議

汪 杰，汪學明

(1．貴州大學大數據與信息工程學院，貴州貴陽 550025; 2．貴州大學計算機科學與技術學院，貴州貴陽 550025)

一種基于簇鏈式的異構WSN路由協議

汪 杰1，汪學明2*

(1．貴州大學大數據與信息工程學院，貴州貴陽 550025; 2．貴州大學計算機科學與技術學院，貴州貴陽 550025)

為了降低異構無線傳感器網絡的能耗，提高網絡吞吐量。綜合Chain-Based協議和SEP協議的優點，在給定一種新的異構網絡環境下，提出了一種基于簇鏈式的異構WSN路由協議。首先基站依據地理位置將監測區域劃分成簇，然后簇內節點按照最近距離成鏈。在簇頭的選取階段，以節點的剩余能量與所在區域的平均能量選取候選簇頭，接著按照給定的閾值選取最終簇頭節點和Leader節點。對比仿真結果表明，該協議對網絡能耗、吞吐量和生命周期的優化都優于Chain-Based協議和SEP協議。

異構無線傳感器;簇鏈式;能耗;生命周期;吞吐量

引言

隨著無線通信技術的迅速發展，具有感知能力、通信能力的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)，在各個領域得到廣泛的應用。由于WSN節點大多數是由能量有限的供電設備提供電源且無法更換，能源問題成為制約無線傳感器網絡應用和推廣的關鍵因素［1］。WSN路由協議設計目標在于降低網絡能耗，延長網絡壽命［2］。因此，具有低能耗和長壽命的WSN路由協議是當前WSN領域中尤為重要研究課題。

近年來，關于WSN路由協議的研究成果層出不窮，但大多數是基于能量同構的WSN路由協議。其中，層次路由協議最受研究學者們的青睞，層次路由協議又稱為分簇路由協議［3］，與平面路由協議和位置路由協議相比，層次路由協議也被證明是更節能的路由協議［4］。隨著異構WSN的應用越來越廣泛，基于異構WSN路由協議的研究已成為WSN領域的研究熱點。由于分簇路由協議具有高效性、可擴展性和可移植性等特點，近幾年國內外研究學者把分簇路由算法應用到異構環境已取得一定的效果，但都存在一些厄待解決的問題。如未考慮節點的剩余能量、低能量節點容易被選取成為簇頭節點、能量空洞、出現“熱區”等缺陷。［5-8］

本文從降低網絡能耗的角度出發，以提高網絡的吞吐量為目的，在給定一種新的二級異構WSN環境下，提出了一種HCCRP協議(Cluster Chain of Heterogeneous WSN Routing Protocol)。對比仿真實驗表明，該協議在網絡能耗、吞吐量和生命周期方面都明顯優于Chain-Based協議和SEP協議。

1 相關知識

LEACH協議［9］是研究學者們公認的一種經典分簇路由協議，該協議簇頭的隨機選取，相比一般的路由協議能夠將網絡壽命周期延長15%，但是動態簇的形成導致大量的網絡開銷。PEGASIS協議［10］是一種單鏈結構的分簇路由協議，不同于LEACH協議的多簇拓撲結構，且只有一個簇頭節點與基站進行通信。該協議具有比LEACH協議更好的性能，但是單鏈拓撲結構會造成過度的延遲，從而致使收集到的數據過時，單鏈上的Leader節點與基站通信可能會出現瓶頸現象。Chain-Based協議［11］是一種最大限度延長網絡生命周期的鏈式路由協議，其主要思想是將所有的傳感器節點隨機地部署在監測區域X和Y的兩側，將所有的節點劃分到M鏈，從而形成多鏈，各鏈的鏈首節點再次成鏈與遠程基站進行通信。該協議有效地避免了長鏈的產生，但未考慮Leader節點的選取到基站的距離，從而不可避免的增加了網絡的能耗。SEP協議［12］是改進LEACH協議的一種分簇路由協議，但網絡中的傳感器節點具有異構性，該協議采用分布式的方法選取簇頭節點，簇頭的選舉基于節點的初始能量，雖然在一定程度上延長了網絡生命周期，但高級節點具有更高概率作為簇頭節點，致使網絡能耗受制約;同時這將會導致遠離基站的高級節點首先死亡，從而縮短了網絡的壽命。

在接下來的工作中，我們將綜合 Chain-Based協議的鏈式拓撲結構和SEP協議二級異構性質的優點，在新的網絡環境下來解決網絡能耗和生命周期的問題。

2 網絡模型及假設

2．1 無線傳感器網絡模型

我們借鑒文獻［4］先進異構網絡模型的構建思想。我們將整個網絡M×M劃分為兩個相等的矩形區域分別為低能量區域(LER)、高能量區域(HER)。我們把普通節點均勻地部署在相對BS最近的LER區域，高級節點均勻地部署在距離BS較遠的HER區域。如圖1所示。

圖1 異構模型

2．2 模型假設

(1)傳感器節點異構，都具有唯一的標識號(ID)，節點部署完成后固定不動;

(2)基站位于監測區域頂部固定不變，能量不受限制;

(3)在網絡運行的過程中，傳感器節點不能補充能源，各節點能夠獲知自己的地理坐標和自身當前的剩余能量且具備一定的計算能力和數據處理能力;

(4)網絡的通信信道是對稱雙向信道。

2．3 能量模型

初始能量的分配類似于文獻［13］，我們假設網絡中傳感器節點數目為N，λ為高級節點所占傳感器節點的比值，普通節點的初始能量為E0，能量的倍數因子為e。網絡節點的總初始能量如式(1)。

網絡節點的能量消耗模型類似文獻［14］。主要包括節點接收、融合、轉發數據三個部分。

轉發lbit數據的能耗:

接收lbit數據的能耗:

融合lbit數據的能耗:

其中，Eelec為發射或接收每比特數據的能量消耗，εfs和εmp分別表示在自由空間和多徑信道模型下所需能耗，EDA為融合單位比特所需的能耗，d為接收端和發送端之間的距離，d0

本協議的能量消耗模型，主要由簇內節點、簇首節點以及Leader節點三部分組成，分別如式(5)、式(6)、式(7)。

其中，dtoCH＜d0，EN表示簇鏈內單個節點的總能耗，a表示融合的節點數，a＜＜N/m，即與該節點的前驅節點。

其中，dL_toCH＜d0，dH_toCH＞d0，EL_CH，EH_CH分別表示LER區域和HER區域單個簇首節點的總能耗，b表示需要簇頭節點融合的其它簇頭數，b= (1，m)。

其中，dL_toBS＜d0，dH_toBS＞d0，ELER_L，EHER_L分別表示LER區域和HER區域Leader節點的能耗，c表示需要Leader節點融合的簇頭數目，c= (1，m)。

綜上所述，由式(8)可得各區域的通信能量消耗，由式(9)可得整個監測區域內一輪通信的網絡能量消耗。

3 HCCRP協議描述

本協議是按“輪”運行，其中包含四個主要階段:成簇階段，成鏈階段，簇頭選取階段和數據傳輸階段。

3．1 成簇階段

在成簇階段，為了提高分簇算法和節點成簇的效率，在我們事先劃分好的異構模型中，基站按照集中式控制依據地理位置將每個區域劃分成m個固定相等的矩形子區域，每個子區域即為一個簇［15］。網絡拓撲如圖2所示。

圖2 鏈式分簇圖

3．2 成鏈階段

成鏈階段主要分為兩個階段:簇內成鏈階段和簇間成鏈階段。

3．2．1 簇內成鏈階段

在劃分好簇后，網絡進入簇內成鏈的初始階段，在每個區域中的節點向基站發送一個“Hello”信息包，信息包中包括自己的標識符ID、位置坐標、能量、區域等信息，基站接收信息包后計算各個節點到基站的距離，此時節點正處于接收狀態，接收由基站返回的“Reply”信息包，信息包中包括每個節點到基站的距離、區域等信息，選取距基站最遠的節點作為第一個鏈節點，又稱為鏈首節點。具體成鏈過程如下:

鏈首節點s廣播請求信息“Hello”，以獲得每個鄰居節點到鏈首節點s的距離如式(10)。其中，鏈首節點s的坐標為(xs，ys)，鄰居節點i的坐標為(xi，yi)，鄰居節點的集合 R={n1，n2，n3，．．．，}，每個鄰居節點返回“Reply”信息包后，鏈首節點s比較與各個鄰居節點的距離，按照最小距離成鏈，已經入鏈的節點不能再次入鏈。按照上述方案循環執行成鏈，直到簇內所有節點都被遍歷。

3．2．2 簇間成鏈階段

在簇間成鏈階段，LER區域的簇頭節點僅能與LER區域的簇頭成鏈，HER區域的簇頭節點僅能與HER區域的簇頭成鏈。從各自區域的簇頭節點中選取好Leader節點后，向各自區域簇頭節點廣播“Hello”信息包，當Leader節點接收到各簇頭節點返回的“Reply”信息包后，尋找離自己最近的簇頭節點成鏈，按照此方法開始建鏈，直到所有簇頭節點都被遍歷。

3．3 簇頭選取階段

簇頭選取階段主要分為:簇內簇頭選取階段和Leader節點選取階段。

3．3．1 簇內簇頭選取階段

在網絡運行的首輪中，我們選取各個區域中每個簇內離基站最近的節點充當簇頭節點。在接下來的每一輪通信中，綜合考慮到充當簇頭的節點能量消耗較大和遠離基站的節點的能量消耗，我們提出簇內節點的剩余能量比該區域的平均能量大的作為候選簇頭節點，然后從所有候選節點中按照節點的剩余能量與離基站距離和度的比值最大作為最終簇頭的選取。其中，LER區域節點i坐標為{xL_ch(i)，yL_ch(i)}，HER區域節點j坐標為{xH_ch(j)，yH_ch(j)}，基站坐標為{xBS，yBS}。具體判斷閾值如式(13)、式(14)。

其中，En(r)表示當前一輪LER區域所有節點的平均能量。Ea(r)表示當前一輪HER區域所有節點的平均能量。

3．3．2 Leader節點選取

在Leader節點選取階段，與簇內簇頭的選取類似。其中，不同的是不在考慮候選 Leader節點。LER區域簇頭節點坐標為(xLi，yLi)，HER區域簇頭節點坐標為(xHi，yHi)，基站坐標為(xBS，yBS)。按照閾值公式(15)和公式(16)，PLi和PHi值最大的擔任Leader節點。

3．4 數據傳輸階段

本協議的數據傳輸階段主要包括簇內數據的傳輸和簇間數據的傳輸兩個階段。

3．4．1 簇內數據傳輸

在簇內數據傳輸階段，為了防止節點傳輸數據而造成的數據沖突和重傳，我們采用Token機制［16］。每個簇頭擁有一個Token，只有當Token到來時，各節點才向鄰居節點傳輸數據，其他時候各節點處于休眠狀態。

3．4．2 簇間數據傳輸階段

在簇間數據傳輸階段，由于采用鏈式的拓撲結構，簇首節點將接收的數據和采集的所有數據進行融合處理傳送到Leader節點，Leader節點將自己采集的數據與接收的數據進行融合后發送給基站。

4 實驗仿真分析

4．1 實驗參數

為了測試HCCRP協議的優越性和可行性，利用MATLAB2014b仿真軟件對HCCRP協議與Chain-Based協議和SEP協議進行對比仿真實驗。仿真實驗的相關參數如表1。

表1 實驗仿真參數

4．2 結果分析

為了直觀的評價本協議的優越性，我們從主要網絡吞吐量、網絡生命周期、網絡能量消耗三個方面，將 HCCRP協議與 Chain-Based協議和SEP協議進行仿真對比分析。

4．2．1 網絡吞吐量

為了直觀的評價網絡的性能，我們對該協議與Chain-Based協議和SEP協議的網絡吞吐量進行仿真對比分析。對比仿真結果如圖3。從圖3可知，HCCRP協議與Chain-Based協議和SEP協議相比具有更高的網絡吞吐量，因此HCCRP協議對于數據的傳輸是非常有效的。

圖3 傳輸數據量

4．2．2 網絡生命周期

為了更加直觀的評價網絡生命周期，我們對該協議與Chain-Based協議和SEP協議的網絡存活節的點數量進行仿真對比分析。對比仿真結果如圖4。從圖4可知，當網絡運行到1200輪左右時，Chain-Based協議的網絡節點開始明顯的死亡，SEP協議的網絡節點開始出現死亡。當網絡運行到2300輪左右時，Chain-Based協議和SEP協議網絡節點已接近全部死亡，HCCRP協議才開始出現明顯死亡。由此可見，HCCRP協議比Chain-Based協議與SEP協議在延長網絡生命周期方面有了很大的改善。

圖4 存活節點數

4．2．3 網絡能量消耗

為了評價該協議運行過程中數據傳輸的能量消耗，我們對該協議與Chain-Based協議和SEP協議的網絡能量消耗進行仿真對比分析，仿真結果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著網絡不斷運行，Chain-Based協議與SEP協議的網絡能量消耗比較接近，而HCCRP協議的網絡能量消耗明顯低于Chain-Based協議與SEP協議。

圖5 網絡能量消耗

5 結束語

綜合Chain-Based協議的鏈式結構和SEP協議的異構性，在新的網絡模型環境下，提出了一種HCCRP協議，該協議基站根據地理位置劃分成簇，在成鏈階段，從遠離基站的節點作為鏈首節點按照最近距離成鏈，避免了長鏈的產生，減少了后期的數據傳輸延遲和冗余傳輸路徑，然后采用給定的閾值選取簇頭和Leader節點，確保了鏈簇中始終是最大能量節點作為簇頭節點和Leader節點，最后與Chain-Based協議和SEP協議進行對比仿真實驗。仿真結果表明，HCCRP協議在網絡能耗、吞吐量和生命周期方面都明顯優于Chain-Based協議和SEP協議。由于該協議在路徑優化還具有較大的改進空間，下一步我們重點從兩個方面進行研究，力求獲取更好的效果。第一是將具有高效搜索能力的群體智能算法運用到該協議中;第二是把該協議的思想融入先進多級異構模型中。

［1］宋愛玲．一種基于PEGASIS的無線傳感器網鏈式分層路由協議［D］．南京:南京郵電大學，2014:1-61．

［2］華吉宏，張璐．城軌無線傳感網中鏈狀分簇路由協議的研究［J］．電子設計工程，2016，24(6):21-25．

［3］M．Diwakar，S．Kumar．An Energy Efficient Level Based Clustering Routing Protocol for WSN［J］，International Journal of Aeronautical and Space Sciences，2012，20 (2):55-64．

［4］M．Aslam，T．Shah，N．Javaid，A．Rahim，Z．Rahman，Z．A．Khan．CEEC:Centralized Energy Efficient Clustering A New Routing Protocol for WSNs［J］．IEEE Communications Society Conference on Sensor，Mesh＆ Ad Hoc Communications＆Networks，2012:103-105．

［5］溫佩芝，許晨蚊．多級異構無線傳感器網絡分簇路由協議［J］．計算機工程與設計，2016，37(6):1471-1477．

［6］許毅，高玉，劉有源．無線傳感器網絡能量異構非均勻分簇路由協議［J］．計算機工程與應用，2010，46(16): 91-94．

［7］李思莉，李毅．基于異構無線傳感器網絡的路由協議改進策略［J］．計算機應用與軟件，2015，32(7): 123-126．

［8］S Ben Alla，A Ezzati，A Beni Hssane，ML Hasnaoui．Hierarchical adaptive balanced energy efficient routing protocol(HABRP)for heterogeneous wireless sensor networks ［J］．International Conference on Multimedia Computing ＆Systems，2011:1-6．

［9］徐慧娟，鄭鑫．一種低功耗自適應集簇分層協議的優化算法［J］．測控技術，2016，35(6):90-94．

［10］Hasan Al-Hasan，Mohammad Qatawneh，Azzam Sleit．EAPHRN:Energy-Aware PEGASIS-Based Hierarchal Routing Protocol for Wireless Sensor Networks［J］Journal of American Science，2011，7(8):753-758．

［11］Mourad Hadjila，Hervé Guyennet，Mohammed Feham．A Chain-Based Routing Protocol to Maximize the Lifetime of Wireless Sensor Networks［J］．Wireless Sensor Network，2013，5，116-120．

［12］趙立權，陳楠，王艷嬌．改進的異構無線傳感器網絡路由算法［J］．計算機工程與應用，2016，5．

［13］Jingjing Liu，Yanjun Hu．A Balanced and Energy-Efficient Clustering Algorithm for Heterogeneous Wireless Sensor Networks［C］．Sixth International Conference on Wireless Communications and Signal Processing(WCSP)，2014．

［14］LIU Xuxun．A survey on clustering routing protocols in Wireless Sensor Networks［J］．Sensors，2012，12:11113-11153．

［15］EU Munir，M Aslam，T Shah，MM Rafique．IAn Advanced Heterogeneity-aware Centralized Energy Efficient Clustering Routing Protocol for Wireless Sensor Networks［J］．nternational Green Computing Conference，2014:1-10．

［16］許建真，曹歡歡，宋愛玲．基于訪問控制的無線傳感網鏈式分層路由協議［J］．計算機與現代化，2015，4: 14-19．

［責任編輯:陳業強］

A heterogeneous WSN routing protocol based on cluster chain

WANG Jie1，WANG Xue-ming2*

(1．College of Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang，Guizhou，550025;2．School of Computer Science and Technology，Guizhou University，Guiyang，Guizhou，550025)

The present study aims to reduce the energy consumption of heterogeneous wireless sensor networks and improve the network throughput．Based on the advantages of Chain-Based protocol and SEP protocol，a new routing protocol of heterogeneous WSN based on cluster chain is proposed in the context of a new heterogeneous network．The first base station based on the geographical position the monitoring region is partitioned into clusters，and cluster nodes according to the distance to the nearest chain．In the selection of cluster head，the candidate cluster head is selected by the residual energy of the node and the average energy of the region，and then the final cluster head node and the leader node are selected according to the given threshold．Simulation results show that the proposed protocol is superior to the Chain-Based protocol and SEP protocol in the network energy consumption，throughput and life cycle．

Heterogeneous wireless sensor;Cluster chain;Energy consumption;Life cycle;Throughput

TP309

A

1674-7798(2016)09-0001-06

10.13391/j.cnki.issn.1674-7798.2016.09.001

2016-07-15

國家自然科學基金項目［2011］61163049;貴州省自然科學基金資助項目黔科合J字［2014］7641。

汪 杰(1990-)，男，貴州思南人，碩士研究生，研究方向:無線通信與信息安全。

*通訊作者:汪學明(1965-)，男，安徽績溪人，教授，博士，研究方向:無線與移動通信、協議分析與模型檢測、密碼學與信息安全。