一種基于能量和距離的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )分簇路由協(xié)議
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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量具有特定功能的傳感器節點(diǎn)通過(guò)自組織的無(wú)線(xiàn)通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。它綜合了傳感器、嵌入式計算、通信、分布式信息處理、計算機技術(shù)、微電子制造技術(shù)，能實(shí)時(shí)監測、感知和采集所監控區域內的各種信息，并對收集到的信息進(jìn)行處理后傳送給終端用戶(hù)，在軍事、災難現場(chǎng)、環(huán)境監測和醫療救護等領(lǐng)域有廣闊的應用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò )一般投放在條件惡劣的環(huán)境或者難以涉足的地域中，節點(diǎn)電池的更換或能量的補充幾乎是不可能的，所以節能路由協(xié)議的設計，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)意義十分重大。目前，提出的WSN路由協(xié)議主要有平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議兩類(lèi)，其中基于簇結構的層次路由協(xié)議是當前國內外研究的熱點(diǎn)口。
1相關(guān)研究
WSN分簇路由協(xié)議設計的首要目標是通過(guò)高效的分簇算法形成合理的網(wǎng)絡(luò )結構，通過(guò)主動(dòng)的能量管理阻止網(wǎng)絡(luò )連通性下降，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。最典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )分簇路由協(xié)議是LEACH協(xié)議，人們在LEACH協(xié)議的基礎上也研究出很多改進(jìn)的分簇路由協(xié)議，EECS(Energy Efficient Clustering Scheme)協(xié)議就是其中一種經(jīng)典的改進(jìn)算法。
1.1LEACH協(xié)議
LEACH是分布式成簇協(xié)議的代表。每個(gè)節點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0～1的隨機數，如果這個(gè)數小于閾值，則該節點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò )廣播它是簇頭。閾值的計算公式為：
式中：p是簇頭占所有節點(diǎn)的百分比，即節點(diǎn)當選為簇頭的初始概率，實(shí)際的簇頭概率以p為中心上下浮動(dòng)；r是目前循環(huán)進(jìn)行的輪；G是在最近1／p輪中沒(méi)有當選過(guò)簇頭的節點(diǎn)集合?？梢钥闯?，當選過(guò)簇頭的節點(diǎn)在接下來(lái)的1輪中將不能成為簇頭，而其他節點(diǎn)，因節點(diǎn)產(chǎn)生小于T(n)隨機數的概率隨之增大，所以節點(diǎn)當選為簇頭的概率也增大。競爭成功的簇頭節點(diǎn)廣播當選的消息后，其他節點(diǎn)根據簇頭廣播信號的強弱決定加入哪個(gè)簇。由于簇頭是隨機挑選的，因此LEACH協(xié)議不能保證簇頭在網(wǎng)絡(luò )中分布均勻，而且節點(diǎn)根據自身通信代價(jià)最小原則選擇加入哪個(gè)簇的成簇算法，但不能保證簇的負載均衡。
1.2 EECS協(xié)議
如前所述，LEACH等算法中，節點(diǎn)根據自身通信代價(jià)最小原則選擇加入哪個(gè)簇，不能保證簇的負載平衡，而且沒(méi)有考慮距基站較遠的簇頭能量耗費過(guò)快等問(wèn)題。針對這些問(wèn)題，EECS提出一個(gè)新的通信代價(jià)公式(2)來(lái)決定節點(diǎn)加入哪個(gè)簇：
式中：cost(j，i)是節點(diǎn)Pj加入簇頭i的代價(jià)；d(Pj，CHi)是節點(diǎn)到簇頭的距離。式(3)中f子函數保證最小化節點(diǎn)與簇頭之間的通信代價(jià)；d(CHi，BS)是簇頭i到基站的距離，式(3)中g(shù)子函數保證最小化簇頭i到基站的通信代價(jià)；權值w的設置則根據具體應用，在成員節點(diǎn)能量與簇頭能量消耗之間折衷，目標是最大化網(wǎng)絡(luò )生命周期。節點(diǎn)Pj選擇cost(j，i)最小的簇頭i加入，從而保證每個(gè)簇頭負載均衡。實(shí)驗結果顯示，EECS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )生命周期較LEACH協(xié)議提高了30％以上。
2問(wèn)題的描述
EECS算法的實(shí)質(zhì)是在簇頭選擇階段，總是讓剩余能量最大的節點(diǎn)當選為簇頭；在成簇階段，聯(lián)合考慮普通節點(diǎn)與簇頭的距離，以及簇頭與基站的距離。其創(chuàng )新之處在于：只有小部分節點(diǎn)參加簇頭的競選；在局部范圍內廣播消息，選舉過(guò)程沒(méi)有迭代；以節點(diǎn)的剩余能量為競選參數；設計了簇頭之間負載均衡的策略。
EECS協(xié)議存在的問(wèn)題：
(1)EECS算法在成簇階段讓候選節點(diǎn)同時(shí)廣播競選消息COMPETE_HEAD，容易造成簇頭分布漏洞問(wèn)題。如圖1所示，節點(diǎn)C在B的競選半徑內；節點(diǎn)B在A(yíng)的競選半徑內，且剩余能量方面A>B>C。在這種情況下，C收到B的競選消息退出競選的同時(shí)，B收到A的競選消息退出競選，這就會(huì )造成局部簇頭分布漏洞的情況。
(2)EECS算法在成簇階段的通信代價(jià)只考慮了普通節點(diǎn)與簇頭的距離，以及簇頭與基站的距離，沒(méi)有考慮簇頭的剩余能量。這樣就會(huì )造成部分剩余能量相對較少簇頭節點(diǎn)的早死現象。
針對EECS協(xié)議存在的問(wèn)題提出了ADEECS(Advanced EECS)協(xié)議，該算法在簇頭選舉階段使用了競爭延遲的方法，在成簇階段設計了新的通信代價(jià)計算公式。
3 ADEECS路由協(xié)議
方案中，假設已知發(fā)送節點(diǎn)的發(fā)射功率，接收節點(diǎn)可以根據接收信號的強度，計算二者之間距離的近似值；發(fā)射功率可控，即節點(diǎn)可以根據自身需要調整發(fā)射功率。采用與文獻[5]相同的無(wú)線(xiàn)傳輸能量消耗模型。ADEECS協(xié)議按輪執行，每一輪分為網(wǎng)絡(luò )部署，簇頭選舉，成簇，數據傳輸這4個(gè)階段。
具體實(shí)現過(guò)程如下：
階段1：網(wǎng)絡(luò )部署階段在網(wǎng)絡(luò )部署階段，讓基站以一定的功率向網(wǎng)絡(luò )內廣播一個(gè)消息HELLO_MSG。傳感器節點(diǎn)根據接收信號的強度計算出自己到基站的近似距離，在與基站通信時(shí)，依據這個(gè)距離選擇適當的發(fā)射功率。在成簇階段，還將利用這個(gè)信息來(lái)均衡簇頭的負載。
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