考慮網絡吞吐量的異構無線傳感器網絡分簇路由算法

許知博， 段 新

(1. 西安電子科技大學 電子信息學院， 西安 710126； 2. 陜西省地方電力(集團)有限公司 信息化工作部， 西安 710075； 3. 陜西省地方電力物資有限公司， 西安 710038)

異構無線傳感器網絡綜合了多種高新技術，包括信息分布式處理、無線通信及現代網絡、計算機嵌入式及傳感器技術等，其利用集成化的各類傳感器實時、協作性的采集、感知、監測各種對象的信息或環境，通過自組織多跳方式將其傳送到用戶終端，實現了人類社會、計算機世界和物理世界的三元連接.對于異構無線傳感器網絡，通過聚類路由算法能夠減輕其帶寬消耗，提升網絡的生命周期與可擴展性，因此聚類路由算法對于異構無線傳感器網絡而言是一種重要的路由協議.

楊佳等[1]依據雙簇頭相關的研究，提出一種新的異構無線傳感器網絡聚類路由算法，通過洪泛算法實現異構無線傳感器網絡聚類路由的搭建；董發志等[2]根據網絡狀態實時調整三個因子的權重，將輪詢機制引入簇內通信，延長了網絡生命周期；賴曉翰等[3]考慮網絡端到端延遲時間，利用指數加權平均算法加強路由選擇的穩定性，在節點通信距離變化時具有較好的性能穩定性.上述研究過程中，在異構無線傳感器網絡層數為3～5層時，存在網絡吞吐量較低的問題，因此本文將狼群算法應用于異構無線傳感器網絡聚類路由算法的設計中，提出一種基于狼群算法的異構無線傳感器網絡聚類路由算法.

1 基于狼群算法的聚類路由算法

1.1 能耗模型構建

為了構建異構無線傳感器網絡的能耗模型，以無線電一階模型為依據[4-5]分析模型的能耗，模型具體構成如圖1所示.

圖1 能耗模型的構成Fig.1 Composition of energy consumption model

當無線電信號經過距離d比臨界值d0小時，需要利用自由空間模型，此時對數據信號進行傳輸所消耗的能量和d的平方存在正比關系；當d比臨界值d0大時，需要利用多路徑衰落模型，數據信號傳輸所消耗的能量和d的四次方存在正比關系[6].臨界值d0的計算表達式為

(1)

式中：hf為無線電信號被天線接收的最大距離；ht為天線高度；λ為無線電信號的實際波長；L為發送能量消耗.

模型中節點對kbit數據進行轉發消耗能量的表達式為

ET(k，d)=ETE(k)+ETA(k，d)=

(2)

式中：ETA(k，d)為kbit數據進行轉發時無線電信號經過距離d的能量消耗；ETE(k)為傳輸電路對kbit數據進行轉發時能量的消耗；Eelec為異構無線傳感器節點接收或轉發單位比特數據消耗的能量；Efs為自由空間模型對應的放大器傳輸能耗參數[7]；Emp為多路徑衰落模型對應的放大器傳輸能耗參數[8].

模型中接收電路對kbit數據進行接收時消耗能量的計算表達式[9-10]為

ER(k)=kEelec

(3)

1.2 簇群建立

在構建異構無線傳感器網絡聚類路由算法簇群的過程中，隨機選取簇頭節點，這些節點需要滿足：在一個回合中，當一個節點已經作為集群的簇頭時，該節點以后不能再作為簇頭，但需要排除所有節點都已經作為簇群簇頭的情況[11-12]，這樣就可以保證監控區域內的每個節點都有平等的機會進行簇頭競選.另外，簇頭節點的實際數目也非常重要，構建異構無線傳感器網絡聚類路由算法簇群的具體流程如圖2所示.

1.3 數據轉發

當集群請求節點接收到集群頭的碼分多址(CDMA)碼和時分多址(TDMA)時隙時，開始轉發傳輸數據[13].節點將實時采集監控區域的數據信息，并轉發到集群頭.轉發需要在TDMA插槽的指定時間內完成.發送后，節點進入休眠狀態，以節省能量[14]，集群頭需要處理數據信息并發送到基站，轉發數據的具體流程如圖3所示.當基站完成數據信息收集后，異構無線傳感器網絡將進行下一輪數據信息的收集.

1.4 網絡聚類路由算法

基于狼群算法建立路由路徑，并制訂路徑選擇策略，實現異構無線傳感器網絡聚類路由算法[15-17].異構無線傳感器網絡聚類路由算法主要分為3個步驟：

圖2 構建聚類路由算法簇群的流程Fig.2 Flow chart of cluster construction for clustering routing algorithm

圖3 轉發數據流程Fig.3 Flow chart of data forwarding

1) 通過簇首對前驅節點的信息進行收集，包括該節點目前剩余能量Epre-cur等.根據節點ID序號對全部路徑的前驅節點進行排列，獲取全部前驅節點目前剩余能量之和EALL.

2) 對各前驅節點的目前備選概率進行計算，即

(4)

式中，Ecur_i為前驅節點的目前能量.

3) 根據節點ID序號實施概率相加.在開始選擇各輪路徑之前，通過簇首節點產生一個隨機數q，該隨機數位于0到1之間.當該隨機數滿足Pcur_i+Pcur_i+1+…+Pcur_w-1

2 仿真實驗驗證

2.1 仿真實驗設計

為驗證設計的異構無線傳感器網絡聚類路由算法的應用性能，對其進行實驗驗證.通過軟件MATLAB R2012a對算法的運行進行模擬.在監測環境內對異構無線傳感器節點進行隨機散布，構成實驗異構無線傳感器網絡，并分析吞吐量(單位時間內實際傳輸的數據量)，傳輸數據量越大，其所需能耗越多.將從某多跳分層異構無線傳感器網絡中獲取的3～5層網絡吞吐量數據作為實驗數據[18].仿真環境的實驗參數如表1所示，主要數據參數如表2所示.

表1 仿真環境實驗參數Tab.1 Experimental parameters of simulation environment

表2 主要數據參數Tab.2 Main data parameters

實驗分別模擬3～5層異構無線傳感器網絡的效果，能耗模擬結果如圖4所示.

2.2 實驗結果分析

在異構無線傳感器網絡層數為3～5層時，將基于狼群算法的異構無線傳感器網絡聚類路由算法與文獻[2]、[3]算法進行網絡吞吐量數據對比，實驗數據對比結果如表3所示.

圖4 異構無線傳感器網絡能耗模擬Fig.4 Energy consumption simulation for heterogeneous wireless sensor networks

根據表3的網絡吞吐量數據對比可知，當異構無線傳感器網絡層數為3～5時，本文算法的網絡吞吐量高于文獻[2]、[3]算法，這是因為本文引入狼群算法建立路由路徑，并根據制訂的路徑選擇策略，在沒有幀丟失的情況下，擴大設備能夠接收的最大速率，擴大吞吐量.

3 結 論

本文提出了基于狼群算法的異構無線傳感器網絡聚類路由算法，分析了異構無線傳感器網絡能量消耗的一階無線模型.當集群路由算法的集群請求節點接收到簇頭的碼分多址碼和時分多址時隙時，開始轉發數據.引入狼群算法建立路由路徑，并根據所建立的路徑選擇策略，對異構無線傳感器網絡的分簇路由算法進行優化.在3～5層網絡層數中實現了網絡吞吐量的提升，為異構無線傳感器網絡生命周期與可擴展性的提升提供理論參考.

表3 網絡吞吐量數據對比結果Tab.3 Comparison results of network throughput