無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )低功耗分簇路由算法研究

靠近基站的候選簇首的競爭半徑應該較小。隨著(zhù)候選簇首到基站距離的減小，其競爭半徑亦應隨之減小。設候選簇首的競爭半徑的最大取值為R0c。其中，c用于控制取值范圍的參數，在0～1之間取值。候選簇首si確定其競爭半徑Rc的計算公式如下：

式中：dmax是距離基站最大的距離；dmin是距離基站最小的距離；d(si，DS)是簇首si到基站DS的距離。
首輪簇首選舉相對簡(jiǎn)單。根據簇首節點(diǎn)比例在網(wǎng)絡(luò )中選舉出簇首，在競爭半徑內不允許存在其他簇首，接著(zhù)競選產(chǎn)生的簇首向全網(wǎng)廣播其競選獲勝的消息CH_ADV_MSG；普通節點(diǎn)選擇簇內通信代價(jià)最小(即接收信號強度最大)的簇首，發(fā)送加入消息JOIN_CLUSTER_MSG通知該簇首。
3．2 簇首生成樹(shù)的建立及數據傳輸
本文采用簇首多跳數據傳輸的方法，如何選舉下一跳簇首節點(diǎn)是本部分要重點(diǎn)闡述的問(wèn)題。首先引入一個(gè)閾值TD_MAX，若簇首到匯聚點(diǎn)的距離小于TD_MAX，則直接與匯聚點(diǎn)進(jìn)行通信；否則，應該盡量使用多跳路由的方式將數據傳送給匯聚點(diǎn)。
假設d(A，DS)>TD_MAX，則在簇首A的臨近簇首集里計算各個(gè)若簇首，帶來(lái)的鏈路質(zhì)量開(kāi)銷(xiāo)指標Erelay=d2(A，X)+d2(X，DS)。其中，d(A，X)是簇首A到簇首X的距離；d(X，DS)是簇首X到基站距離；d(A，DS)是簇首A到基站的距離。在Erelay值小的簇首節點(diǎn)中選擇剩余能量最大的節點(diǎn)作為中繼轉發(fā)的簇首節點(diǎn)，將數據按照簇首生成樹(shù)轉發(fā)到基站。
3．3 各輪簇首選舉
為了延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期，應該盡量選擇簇內節點(diǎn)中剩余能量最高的節點(diǎn)為簇首節點(diǎn)，并且讓不同的節點(diǎn)輪轉當選。本部分采用基于剩余能量的簇首簇內輪換的方法進(jìn)行簇首選舉。其主要思想：簇首在簇內負責收集簇內節點(diǎn)的數據。在節點(diǎn)向簇首發(fā)送數據時(shí)，在數據位后附加上本節點(diǎn)的剩余能量值位。簇首將數據進(jìn)行處理轉發(fā)后，對各節點(diǎn)的能量進(jìn)行簡(jiǎn)單的排序，因為不用維持所有節點(diǎn)能量的全排序，只需要知道剩余能量比較高的幾個(gè)節點(diǎn)，所以采用最大堆的排序方法。在通過(guò)數據應答包或者命令包中附加位的方法把這個(gè)排序中的前3名節點(diǎn)號及能量值廣播到整個(gè)簇內，這樣做就不會(huì )增加廣播次數，只是以附帶的方式就可以使整個(gè)簇內節點(diǎn)都有本簇內剩余能量較高節點(diǎn)的信息。即使簇首節點(diǎn)突然失效或發(fā)生異常，其他的節點(diǎn)可以很快根據能量信息選出新簇首。簇內節點(diǎn)保留的都是最近一次的能量信息，由于傳感器網(wǎng)絡(luò )休眠的時(shí)同比較長(cháng)，即使簇首突然失效，信息的變化也不會(huì )很大，完全可以根據這次排序來(lái)選舉出新的簇首。新簇首選出后，負責完成數據收發(fā)處理及能量排序等工作。
通過(guò)本算法每次都選出剩余能量最多的節點(diǎn)當選簇首，使簇內信息收集和主干網(wǎng)絡(luò )通信更加穩定，并避免了每輪簇首選舉時(shí)所有節點(diǎn)相互交換能量信息所需的大量開(kāi)銷(xiāo)。

4 性能分析
本部分比較各種分簇協(xié)議對網(wǎng)絡(luò )存活時(shí)間的影響。圖3顯示了網(wǎng)絡(luò )中存活節點(diǎn)數目的各輪變化情況。從圖中可以看出，無(wú)論是第一個(gè)節點(diǎn)死亡的時(shí)間還是最后一個(gè)節點(diǎn)死亡的時(shí)間，本文算法均優(yōu)于其他3種協(xié)議。節點(diǎn)死亡時(shí)間的跨度可以反映出網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的能量均衡情況，時(shí)間跨度短說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )的能量使用高效。本文算法不僅顯著(zhù)地延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間，而且時(shí)間跨度也小于其他3種協(xié)議，這說(shuō)明該算法很好地均衡了網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的能量消耗。

通過(guò)試驗結果可以看出，本文提出的算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：分簇算法穩定，所生成簇的簇個(gè)數不變，能量消耗低，且有效平衡了簇首能量消耗，顯著(zhù)延長(cháng)路網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間?？傊?，用網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間這一重要指標來(lái)衡量，其性能顯著(zhù)優(yōu)于其他3種分簇協(xié)議。

5 總 結
本文算法在初始化簇結構時(shí)，采用非均勻分簇的方法，避免了由于數據沿簇首生成樹(shù)多跳傳輸而導致近基站簇首多余能量的消耗，解決了簇首能量不均衡的問(wèn)題；采用基于剩余能量的簇首簇內選舉的方法，避免了所有節點(diǎn)參與每輪的簇首選舉過(guò)程帶來(lái)的不必要的能量消耗，保證了剩余能量最多的節點(diǎn)擔任下一任簇首；用簇首建立主干網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據多跳傳輸，合理選擇下一跳簇首節點(diǎn)，減少了簇頭長(cháng)距離傳輸數據的能量消耗。