基于非均勻分簇的WSNs路由協(xié)議

高巖

摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點間能量消耗不平衡導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(xié)議NCRP。首先，在選舉候選簇頭的過程中加入節(jié)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(jié)點度因子和距離因子。最后，在數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點定義了能耗函數(shù)。仿真結(jié)果表明，NCRP協(xié)議可以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);非均勻分簇;路由協(xié)議;剩余能量;鄰居節(jié)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(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及低功耗射頻設(shè)計的快速發(fā)展。無線傳感器以價格低廉、功耗較低的特點被廣泛應(yīng)用于城市綜合管廊監(jiān)控、煤礦安全、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中[1]。由于傳感器節(jié)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(jié)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(xié)議通過選舉簇頭節(jié)點成簇，簇內(nèi)收集處理信息的方式延長了網(wǎng)絡(luò)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(jié)點當(dāng)選簇頭節(jié)點反而會加速節(jié)點的死亡。基于LEACH協(xié)議文獻[3]提出的EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）協(xié)議，在分簇過程中賦予節(jié)點競爭半徑，使靠近Sink節(jié)點的競爭半徑較小從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)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(jié)點能量以及鄰居節(jié)點的數(shù)量。

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

1 網(wǎng)絡(luò)與能耗模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)中成員節(jié)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(jié)點通信。

本文的無線傳感網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)如下[4]：

1） 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域由m個傳感器節(jié)點和一個基站組成，傳感器節(jié)點均勻分布在N×M的區(qū)域內(nèi);

2） 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)沒有障礙物和噪音干擾，基站能量充足;

3） 每個節(jié)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(jié)點是靜止的且位置信息已知。無線發(fā)射功率可控，節(jié)點可以根據(jù)需要調(diào)整自身發(fā)射功率。

1.2 網(wǎng)絡(luò)能耗模型

3 EEUC協(xié)議

EEUC協(xié)議是基于非均勻分簇的路由協(xié)議，它采用簇內(nèi)單跳通信，簇間多跳通信的方式與Sink節(jié)點通信。在選舉期間與LEACH協(xié)議類似，每個節(jié)點產(chǎn)生一個0到1的隨機數(shù)，若隨機數(shù)小于設(shè)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(jié)點的距離有關(guān)，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(xié)議

4.1 閾值改進

4.2 簇競爭半徑改進

4.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段

5 仿真及結(jié)果分析

圖1為網(wǎng)絡(luò)生存節(jié)點數(shù)量隨時間變化圖，EEUC和NCRP協(xié)議中第一個節(jié)點死亡的輪次分別為374輪和510輪，網(wǎng)絡(luò)中一半節(jié)點死亡輪次分別為523輪和637輪，節(jié)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(xié)議的第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)的時間和節(jié)點全部死亡的時間都是優(yōu)于EEUC協(xié)議的，可見NCRP協(xié)議是可以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的。

6 結(jié)論

本文針對LEACH協(xié)議和EEUC協(xié)議的不足。首先，通過在節(jié)點選舉備選簇頭的過程中考慮節(jié)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(jié)點的節(jié)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(shù)據(jù)傳輸節(jié)點中選取下一跳節(jié)點時定義了能耗函數(shù)，使得節(jié)點間的能耗更加均衡。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，NCRP協(xié)議可以均衡節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

參考文獻：

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

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【通聯(lián)編輯：梁書】