無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )分布控制匯聚協(xié)作節能算法

對網(wǎng)絡(luò )監測的區域進(jìn)行環(huán)形劃分，進(jìn)行非均勻的部署控制，讓較靠近匯聚節點(diǎn)區域的傳感器節點(diǎn)分布密度大于較遠區域，使單位周期內每個(gè)環(huán)形區域節點(diǎn)協(xié)作多跳通信以平衡區域能耗、優(yōu)化數據傳輸路徑提高節點(diǎn)能量利用效率。仿真表明該算法對減小傳輸能耗、均衡網(wǎng)絡(luò )能量有較好效果。

作者簡(jiǎn)介：

邵玉成（1985年—）, 男, 安徽潁上人, 工學(xué)碩士, 主要研究領(lǐng)域為無(wú)線(xiàn)通信測試技術(shù), 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。主持或承擔過(guò)多項國家科技重大專(zhuān)項（03專(zhuān)項）、電子測試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室資助項目。

凌云志（1976—）, 男,安徽巢湖人, 學(xué)士, 中電科儀器儀表有限公司部門(mén)主任, 主要研究領(lǐng)域為移動(dòng)通信測試技術(shù), 物聯(lián)網(wǎng)測試技術(shù)。發(fā)表論文多篇, 主持或承擔過(guò)多項國家科技重大專(zhuān)項。

孫昊（1980年—）, 男, 安徽蚌埠人, 學(xué)士學(xué)位, 中電科儀器儀表有限公司高級工程師, 主要研究領(lǐng)域為移動(dòng)通信測試技術(shù), 物聯(lián)網(wǎng)測試技術(shù)。發(fā)表技術(shù)論文多篇, 主持或承擔過(guò)多項國家科技重大專(zhuān)項。

引言 

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，如果監測區域內的節點(diǎn)均勻分布，當采用多跳轉發(fā)的方式向匯聚節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，離匯聚節點(diǎn)較近的傳感器節點(diǎn)需要承擔較多的外圍節點(diǎn)數據轉發(fā)任務(wù)，其能量消耗就較大，容易引起該區域節點(diǎn)的能量過(guò)早耗盡而死亡。在WSN中，特別是針對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究及應用實(shí)踐中^[3-5]，如何使網(wǎng)絡(luò )能量比較均衡并最大限度地提高節點(diǎn)能量的利用效率對于網(wǎng)絡(luò )的性能有著(zhù)很大的影響。本文在現有分簇算法研究基礎上，提出基于節點(diǎn)非均勻分布的分簇協(xié)作多跳路由算法（CorMulti-hop Agrithm），并對該算法的性能進(jìn)行了仿真評估。

1 相關(guān)研究

針對WSN中“熱區”以及節點(diǎn)能量利用效率較低的問(wèn)題，許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究并提出了不同的方法。文獻的實(shí)驗結果表明：在節點(diǎn)均勻分布的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路中，由于部分承擔過(guò)重轉發(fā)任務(wù)節點(diǎn)的提早死亡，導致網(wǎng)絡(luò )能量的利用率非常低，甚至不足10%。文獻證明了在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)均勻分布的網(wǎng)絡(luò )中，“熱區”問(wèn)題是難以避免的。文獻提出了采用異構的傳感器節點(diǎn)來(lái)解決“熱區”問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò )的不同區域中，節點(diǎn)初始能量不相同，承擔更多轉發(fā)任務(wù)的匯聚節點(diǎn)周?chē)膫鞲衅鞴濣c(diǎn)具有更多的初始能量，這樣就可以拿出一部分能量供數據轉發(fā)使用，來(lái)保證每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)有近似相同的生存周期。文獻對于網(wǎng)絡(luò )能量消耗不均衡以及生存周期較短問(wèn)題，提出了一種混合式控制策略，對監測區域進(jìn)行同心圓環(huán)劃分，利用算法分配圓環(huán)內一部分節點(diǎn)與Sink節點(diǎn)進(jìn)行直接通信，其他節點(diǎn)通過(guò)多跳的方式把數據傳送到Sink節點(diǎn)，根據算法調節這兩部分節點(diǎn)數目的比例。相關(guān)優(yōu)化協(xié)議^[11-12]采用控制性節點(diǎn)布局，普通節點(diǎn)在選擇簇進(jìn)行加入時(shí)，綜合自身到簇首的距離以及簇首到Sink節點(diǎn)的距離等因素進(jìn)行選擇。這樣既考慮了節點(diǎn)自身的能耗，也考慮了作為中繼節點(diǎn)簇首的能耗，構造出的大小非均勻的簇，可緩解簇間能耗不均衡的問(wèn)題。

本文在相關(guān)研究工作的基礎上，提出一種基于LEACH的節點(diǎn)控制分布及通信協(xié)作多跳的路由協(xié)議算法。該算法的設計思想：平衡網(wǎng)絡(luò )區域的能耗，采用節點(diǎn)非均勻部署策略；在簇首選舉階段，采用與LEACH相同的方式選舉出預選簇首，之后進(jìn)行簇內競爭，讓競爭代價(jià)最小的節點(diǎn)成為正式簇首，有利于局部能耗的均衡；采用簇間協(xié)作多跳的傳輸方式把數據傳送給匯聚節點(diǎn)，并在建立簇間多跳路由時(shí)綜合考慮節點(diǎn)的能量和通信代價(jià)，以節省傳輸階段的能耗。

2 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的非均勻分布控制

2.1網(wǎng)絡(luò )模型與假設

文章假設網(wǎng)絡(luò )的監測區域為圓形，所有的節點(diǎn)是同構，且節點(diǎn)的初始能量（近似）相等，均為Eore，匯聚節點(diǎn)位于監測區域的中心，傳感器節點(diǎn)采用控制式非均勻部署；簇首對簇成員的數據進(jìn)行融合處理，對同級數據轉發(fā)采用bypass方式；節點(diǎn)Tx power皆可自行調整。

節點(diǎn)分布控制策略：

1)半徑為R的圓形區域劃分為M個(gè)同心的圓環(huán)，如圖1，區域記為{Ci1,Ci2,…,Ci0}，圓環(huán)的外側邊到圓心的半徑記為{ρ1,ρ2,…,ρ0}?？倲禐镹的傳感器節點(diǎn)平均分布在各圓環(huán)中，用Ni表示第i層圓環(huán)中傳感器節點(diǎn)的數目，則N1=N2=…=NO=N/O，且N1+N2+…+N0=N；

2)每層圓環(huán)中，節點(diǎn)依概率P當選為簇首，每層圓環(huán)內的簇首數目Ni_ch近似相等，即N1_ch=N2_ch=…=NM_ch=P×N/O；

3)數據傳輸階段，外層環(huán)中的數據通過(guò)選擇內層環(huán)內節點(diǎn)作為中繼，逐層轉發(fā)，傳遞到匯聚節點(diǎn),內層環(huán)的節點(diǎn)密度要大于其相鄰的外層圓環(huán)節點(diǎn)密度。

圖1 節點(diǎn)非均勻部署與網(wǎng)絡(luò )劃分示意圖

2.2網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能耗分析

采用與文獻相同的能量消耗模型，節點(diǎn)發(fā)送數據的能耗ETX包含電路能耗、信號放大能耗，與傳輸的距離相關(guān)，當傳輸距離較近時(shí)，采用自由空間消耗模型，否則采用多徑衰落模型。

節點(diǎn)接收l比特的數據能耗為：

   （1）

節點(diǎn)進(jìn)行數據融合處理的能耗為：

   （2）

其中，E_dpb表示每比特數據融合處理的能耗；m為融合處理的數據包的數目。

在圓形網(wǎng)絡(luò )模型中，每層圓環(huán)內節點(diǎn)數相等，但寬度不相同；圓環(huán)內的簇數目相同但簇的半徑不同，離Sink節點(diǎn)較近的圓環(huán)具有較大的節點(diǎn)分布密度。假設圓環(huán)Ci中的節點(diǎn)分布密度為ρi，則從最里層的圓環(huán)C1到最外層的CO節點(diǎn)分布密度逐漸下降，即：ρ₁>ρ₂>…>ρ_i>…>ρ_O。

（1）圓環(huán)中的簇半徑R_ch：

假設圓環(huán)C_i的面積為S_i，節點(diǎn)的最大通信半徑為r_max，則根據網(wǎng)絡(luò )覆蓋的連通性要求，以及節點(diǎn)的物理條件的限制，圓環(huán)C_i的簇半徑R_{i_ch}需要滿(mǎn)足：

   （3）

這是因為在環(huán)Ci中，要完全覆蓋，就使每個(gè)簇的覆蓋的面積≥S_i/N_{i_ch}，這里假設：

   。      （2）

第i層圓環(huán)簇內成員節點(diǎn)到簇首節點(diǎn)的距離平方的期望   ：

（4）

假設簇的面積為Si_ch，可知簇內節點(diǎn)分布的概率密度ρ為：

   （5）

從而：

（6）

（3）第i層圓環(huán)中的簇首節點(diǎn)到圓心匯聚節點(diǎn)的距離的期望E(di)：

（7）

其中，r0=0, 1≤i≤M。

（4）第i層圓環(huán)中的簇首節點(diǎn)到第i-1層圓環(huán)中的簇首節點(diǎn)距離di的期望E(Δdi)：

（8）

（5）最外層環(huán)采集一幀數據的總能耗E_O為：

   （9）

（6）非最外層圓環(huán)C_i的能耗E_i，包括本環(huán)內的數據發(fā)送能耗E_{i_self}和外層環(huán)數據的轉發(fā)能耗E_{i_fw}：  

   （10）

其中，d0為空間傳輸距離常數。當Δd_i<d₀時(shí)，n取2，ε取自由空間衰減系數ε _fs；否則n取3，ε取多徑衰減系數ε _mp。

由節點(diǎn)的初始能量E_ori和每層圓環(huán)中節點(diǎn)的數目可知，每層圓環(huán)中節點(diǎn)總初始能量相等均為E_ori×N/M。為了實(shí)現每層圓環(huán)中節點(diǎn)的能耗均衡，避免能量空洞的出現以及提高網(wǎng)絡(luò )的生存周期，節點(diǎn)的拓撲應：

   （11）

根據要求調節每層環(huán)的面積，即調節圓環(huán)半徑ri，便可實(shí)現每層環(huán)內節點(diǎn)的能耗均衡。

2.3節點(diǎn)分布控制分布協(xié)作分簇路由算法（CHMA）

2.3.1 簇首的選舉

預選簇首的選舉和經(jīng)典LEACH算法類(lèi)似，當預選簇首確立之后，建立相應的簇。再依k（是常數，為節點(diǎn)剩余能量對競爭代價(jià)的影響程度，本文中取k=1）的選擇，進(jìn)行一次簇內的競爭，競爭代價(jià)最小的節點(diǎn)成為最終的正式簇首，競爭代價(jià)考慮節點(diǎn)的剩余能量和其到預選簇首的距離，為：

   （12）

具體競爭步驟為：

1）按照隨機算法產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )預選簇首；

2）節點(diǎn)等待其他簇首的廣播消息，并根據接收消息的信號強度確定加入簇。如果在一定的時(shí)間內未接收到簇首的廣播消息，則自己宣布成為簇首；

3）預選簇首廣播Msg消息，該消息包括自己的ID和剩余能量Ei；

4）其它節點(diǎn)j根據接收信息的信號強度選擇加入簇，并計算與預選簇首間的距離dj2ch；

5）簇內成員節點(diǎn)和預選簇首進(jìn)行剩余能量的比較，如果自己大于預選簇首，則向簇首發(fā)送簇內競爭的消息MSG_compete，該消息包含節點(diǎn)的當前能量，以及其到預選簇首的距離dj2ch。

6）預選簇首對簇內節點(diǎn)的競爭消息根據式（12）計算競爭代價(jià)，競選代價(jià)最小者成為正式簇首。

圖3 簇內競爭流程