基于非均勻分簇的WSNs路由協議

高巖

摘要：在無線傳感器網絡中，由于節點間能量消耗不平衡導致網絡過早死亡。為了解決這一問題，提出一種基于非均勻分簇的路由協議NCRP。首先，在選舉候選簇頭的過程中加入節點的能量因子改進閾值公式。其次，在計算簇頭競爭半徑時加入節點度因子和距離因子。最后，在數據傳輸節點定義了能耗函數。仿真結果表明，NCRP協議可以均衡網絡能耗，延長網絡生存時間。

關鍵詞：無線傳感器網絡;非均勻分簇;路由協議;剩余能量;鄰居節點

Abstract： In WSNs， the premature death of the network is caused by the imbalance of energy consumption among nodes. In order to solve this problem， a routing protocol based on non-uniform clustering， NCRP， is proposed. First， the energy factor improvement threshold formula of the node is added in the process of electing candidate cluster heads. Secondly， the node degree factor and distance factor are added when calculating the cluster head competition radius. Finally， the energy consumption function is defined at the data transmission node. The simulation results show that the NCRP protocol can balance the network energy consumption and prolong the network lifetime.

Key words： wireless sensor network; uneven clustering; routing protocol; remaining energy;neighbor node

隨著基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）的傳感器技術、數字電子技術以及低功耗射頻設計的快速發展。無線傳感器以價格低廉、功耗較低的特點被廣泛應用于城市綜合管廊監控、煤礦安全、智慧農業等領域中[1]。由于傳感器節點本身受電源存儲能力的限制且一般部署于難以二次回收的地方，因此如何有效提高傳感器節點的能量利用率成為重要的研究方向。文獻[2]提出的LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）協議通過選舉簇頭節點成簇，簇內收集處理信息的方式延長了網絡的生存時間。但是簇頭的選舉方式是隨機的使得簇頭分布不均勻，一些能量較低的節點當選簇頭節點反而會加速節點的死亡。基于LEACH協議文獻[3]提出的EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）協議，在分簇過程中賦予節點競爭半徑，使靠近Sink節點的競爭半徑較小從而實現了網絡非均勻分簇。但是，簇頭的競爭簇半徑只考慮了距離因素，沒有考慮節點能量以及鄰居節點的數量。

本文針對LEACH、EEUC協議的不足提出了NCRP協議（Non-uniform clustering routing protocol）。在簇頭的選舉過程中綜合考慮節點與Sink節點的距離、節點的剩余能量、節點的鄰居節點的數量。在數據傳輸階段的中繼節點的選擇中，考慮節點與中繼節點的距離、中繼節點的能量選出最佳中繼節點。

1 網絡與能耗模型

1.1 網絡層次結構

在網絡中成員節點通過單跳通信的方式與簇通信，簇頭通過多跳通信的方式與Sink節點通信。

本文的無線傳感網絡模型假設如下[4]：

1） 網絡區域由m個傳感器節點和一個基站組成，傳感器節點均勻分布在N×M的區域內;

2） 假設網絡區域內沒有障礙物和噪音干擾，基站能量充足;

3） 每個節點的電池容量、存儲能力、通信的范圍、感知范圍相同;

4） 傳感器節點是靜止的且位置信息已知。無線發射功率可控，節點可以根據需要調整自身發射功率。

1.2 網絡能耗模型

3 EEUC協議

EEUC協議是基于非均勻分簇的路由協議，它采用簇內單跳通信，簇間多跳通信的方式與Sink節點通信。在選舉期間與LEACH協議類似，每個節點產生一個0到1的隨機數，若隨機數小于設置的閾值一般為0.4，則成為候選簇頭，候選簇頭選舉計算自身的簇競爭半徑。簇競爭半徑與距Sink節點的距離有關，從而形成非均勻分簇[3]。簇競爭半徑的計算方式如下：

4 NCRP協議

4.1 閾值改進

4.2 簇競爭半徑改進

4.3 數據轉發階段

5 仿真及結果分析

圖1為網絡生存節點數量隨時間變化圖，EEUC和NCRP協議中第一個節點死亡的輪次分別為374輪和510輪，網絡中一半節點死亡輪次分別為523輪和637輪，節點全部死亡的輪次分別為579輪和710輪。由實驗仿真可以得出NCRP協議的第一個死亡節點出現的時間和節點全部死亡的時間都是優于EEUC協議的，可見NCRP協議是可以延長網絡生存時間的。

6 結論

本文針對LEACH協議和EEUC協議的不足。首先，通過在節點選舉備選簇頭的過程中考慮節點的能量因子改進了選舉的閾值公式。其次，在備選簇頭選舉成為最終簇頭的過程中綜合考慮了節點的節點度因子和距離因子改進了簇頭的競爭半徑計算公式。最后，在數據傳輸節點中選取下一跳節點時定義了能耗函數，使得節點間的能耗更加均衡。通過仿真可以發現，NCRP協議可以均衡節點的能量消耗，延長網絡生存時間。

參考文獻：

[1] Alghamdi T A.Energy efficient protocol in wireless sensor network：optimized cluster head selection model[J].Telecommunication Systems，2020，74（3）：331-345.

[2]Heinzelman， W. R.， et al. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C].Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences，2000，9，（33）：8020–8020.

[3] 李成法，陳貴海，葉懋，等.一種基于非均勻分簇的無線傳感器網絡路由協議[J].計算機學報，2007，30（1）：27-36.

[4] 張文柱，孫瑞華，高鵬，等.基于梯度的異構WSNs非均勻分簇路由協議[J].小型微型計算機系統，2020，41（9）：1887-1892.

[5] 鄭文軍.基于區域劃分的WSNs雙簇頭路由協議[J].電腦知識與技術，2019，15（18）：45-46.

【通聯編輯：梁書】