基于EEUC協(xié)議的非全局分簇路由協(xié)議

何傳波　覃琪

摘要：針對(duì)非均勻分簇（EEUC）路由協(xié)議僅考慮節(jié)點(diǎn)與基站距離決定簇半徑以及選擇簇頭時(shí)僅考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量等不足，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用節(jié)點(diǎn)與基站的距離、節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量決定成簇半徑，綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)相鄰區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量和成簇通信代價(jià)以及到基站的距離等因素進(jìn)行分簇，路由協(xié)議還考慮中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)和傳送信息次數(shù)等。通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證了改進(jìn)協(xié)議較EEUC協(xié)議更能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

關(guān)鍵詞：EEUC路由協(xié)議；剩余能量；通信代價(jià)；路由協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）08-0039-03

1概述

近年來(lái)，由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless SensorNetwork，WSN）受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，WSN通過(guò)大量分布于不同區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)感知、收集信息并分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)的監(jiān)控，是集信息采集、傳輸與處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，能夠攜帶的能量有限，所以選擇一種合理的路由協(xié)議，降低能耗，延長(zhǎng)整個(gè)WSN的生存時(shí)間是當(dāng)前WSN的主要研究方向之一。

層次路由協(xié)議因能量利用率高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟子诳刂?、?shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用其中等特點(diǎn)聊，整體性能優(yōu)于平面路由協(xié)議，因而它在WSN網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛研究與應(yīng)用。LEACH協(xié)議是最早提出的層次路由協(xié)議，該協(xié)議設(shè)定一個(gè)閾值，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)0到1間且大于閾值的隨機(jī)數(shù)決定簇頭并進(jìn)行分簇，當(dāng)沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)簇頭的分布均衡和簇頭間路由。李在分析分簇路由基礎(chǔ)上提出了EEUC協(xié)議，利用節(jié)點(diǎn)與基站的距離不同來(lái)決定簇的大小，距離基站近的成簇半徑小，以便騰出更多能量進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量高于半徑內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)則能夠當(dāng)選簇頭。EEUC協(xié)議雖然解決了均勻分簇中擔(dān)任路由節(jié)點(diǎn)的簇頭能耗過(guò)大、全網(wǎng)能耗不均衡等問(wèn)題，但沒(méi)有很好的考慮簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及通信代價(jià)等問(wèn)題。

本文針對(duì)非均勻分簇協(xié)議EEUC的不足，對(duì)EEUC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)與基站的距離、節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)決定成簇半徑，綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)相鄰區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量和成簇通信代價(jià)以及到基站的距離等因素進(jìn)行分簇。在中繼路由節(jié)點(diǎn)的選擇上，除了考慮簇頭選擇的因素外，還增加中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)和傳送信息次數(shù)作為參考，優(yōu)化路由節(jié)點(diǎn)選擇協(xié)議，均衡路由節(jié)點(diǎn)通信能耗。

2參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算方式

2.1非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算方式

半徑的大小決定該簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量或簇內(nèi)通信開(kāi)銷，因而針對(duì)EEUC協(xié)議在競(jìng)爭(zhēng)半徑的確定中只考慮節(jié)點(diǎn)到基站距離的不足進(jìn)行改進(jìn)，加入節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量因素。改進(jìn)算法的競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算公式如下：

（1）

其中，d_max和d_min分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離基站的最大和最小距離。d_i為節(jié)點(diǎn)i與基站距離，N_max為最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量，N_i為節(jié)點(diǎn)i相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量，為大于0小于1的參數(shù)。R₀為最大競(jìng)爭(zhēng)半徑。

2.2簇頭選擇閾值定義

簇頭的選擇不應(yīng)該僅僅由剩余能量來(lái)決定，還應(yīng)該綜合考慮成簇半徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、各節(jié)點(diǎn)到簇頭的通信代價(jià)以及簇頭與基站的距離等因素，以確保簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)不能過(guò)多或通信距離過(guò)遠(yuǎn)而增加能量損耗。所以簇頭選擇閾值T_new定義如下：

（2）

（3）

其中a+b+e=1，E_n為節(jié)點(diǎn)i當(dāng)前剩余能量值，E_A為網(wǎng)絡(luò)平均能量。由公式可知，節(jié)點(diǎn)乘0余能量越多當(dāng)選簇頭概率越大，距離基站越近、節(jié)點(diǎn)相鄰區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量越大且簇內(nèi)通信代價(jià)越小越容易成為簇頭。

2.3路由閾值定義

路由節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)則中繼信息傳遞的重任，若能量過(guò)低或頻繁的承擔(dān)中繼任務(wù)都會(huì)導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，因而，簇頭在選擇路由節(jié)點(diǎn)時(shí)除了考慮剩余能量等綜合信息外，還要考慮該路由節(jié)點(diǎn)為多少個(gè)簇頭傳遞消息給基站，傳遞了多少次消息等。因此，路由閾值的定義為：

（4）

其中，β+γ+ω=1，N_r為中繼節(jié)點(diǎn)服務(wù)簇頭數(shù)量，n_r輪數(shù)，n_i為中繼路由擔(dān)任次數(shù)。當(dāng)服務(wù)簇頭個(gè)數(shù)M越大，該節(jié)點(diǎn)添加新簇頭的概率越小，傳遞的信息越頻繁，成為中繼路由的概率就越小。以此來(lái)降低中繼節(jié)點(diǎn)的能量損耗。

3協(xié)議設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)部署開(kāi)始階段，基站BS首先要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱計(jì)算自己與基站的距離，用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)半徑。本節(jié)分別對(duì)簇頭競(jìng)選、分簇和簇頭間通信路由選擇兩個(gè)部分對(duì)改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行描述。

3.1簇的建立

第一步：首輪所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的基站廣播信息獲取到d_max和d_min信息并計(jì)算出自己的成簇半徑R_new。

第二步：判斷節(jié)點(diǎn)剩余能量是否大于平均能量，如果是則根據(jù)自己的計(jì)算出來(lái)的成簇半徑R_new廣播自己的簇頭競(jìng)爭(zhēng)閾值T_new，否則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠等待簇頭節(jié)點(diǎn)喚醒成簇。

第三步：所有競(jìng)爭(zhēng)簇頭的節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的T_new值決策是否成為簇頭。若相鄰的節(jié)點(diǎn)T_new值比自己高，則判斷其是否成簇頭，若成則直接加入該簇，否則自己成為簇頭。

第四步：競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程結(jié)束后，簇頭節(jié)點(diǎn)廣播成簇信息，未參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)被喚醒，選擇距離自己最近即通信代價(jià)最小的簇加人。并建立簇內(nèi)時(shí)分復(fù)用時(shí)隙通信機(jī)制，所有簇頭收集并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合才向路由節(jié)點(diǎn)或BS發(fā)送數(shù)據(jù)，減少能耗。

在首輪過(guò)后并非每輪都進(jìn)行分簇，也不是全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)都重新分簇，而是簇頭節(jié)點(diǎn)能量E_n小于平均能量匠的簇重新選擇簇頭，需要重新分簇的節(jié)點(diǎn)根據(jù)上面2到4步重新進(jìn)行非全局分簇。如此小范圍的重新分簇，即減少需要組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，較大程度提升了成簇速度，又降低了因全局分簇而導(dǎo)致的能量不必?fù)p耗，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量。

3.2簇間路由選擇

簇頭節(jié)點(diǎn)除了負(fù)責(zé)本簇內(nèi)成員信息的收集與融合，還有可能擔(dān)任其他簇頭與基站通信的橋梁即中繼節(jié)點(diǎn)作用，因而每個(gè)簇頭還要設(shè)置兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是幾個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自己向基站方向發(fā)送消息，另一個(gè)是自己發(fā)送了幾次消息。引入一個(gè)閾值D，若簇頭節(jié)點(diǎn)與基站的距離小于D，則直接與基站進(jìn)行通信，否則通過(guò)多跳與基站通信。簇頭節(jié)點(diǎn)在選擇基站方向上那個(gè)節(jié)點(diǎn)作為自己的中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)接收到的E_route信息中選擇最大的節(jié)點(diǎn)作為自己的中繼節(jié)點(diǎn)。若有信息通過(guò)自己發(fā)送向基站發(fā)送消息，如果是首次接收到該節(jié)點(diǎn)的消息，則增加自己的N_r值和n_i值，否則只增加n_i值。如此，某個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的E_route值越大，表明其剩余能量越多、為其他節(jié)點(diǎn)擔(dān)任中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越少或中繼發(fā)送的消息量少等，被新節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)的概率越大，反正，該節(jié)點(diǎn)越不容易增加新中繼信息，從而達(dá)到均衡中繼節(jié)點(diǎn)信息量，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)能量損耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的目的。

4實(shí)驗(yàn)與分析

4.1仿真參數(shù)設(shè)置

本文通過(guò)Matlab對(duì)改進(jìn)的分簇協(xié)議、經(jīng)典EEUC協(xié)議和LEA CH協(xié)議進(jìn)行模擬仿真。實(shí)驗(yàn)有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表1所示，協(xié)議中其他參數(shù)的取值均通過(guò)多次模擬運(yùn)行后取較優(yōu)的值。

4.2實(shí)驗(yàn)與分析

將200個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在200*200的區(qū)域中，分別使用LEACH協(xié)議、EEUC協(xié)議和改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行仿真模擬。圖1給出了改進(jìn)協(xié)議在200輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及簇頭節(jié)點(diǎn)分布情況。其中，“0”表示普通節(jié)點(diǎn)，“*”表示簇頭節(jié)點(diǎn)，sink基站在左下角原點(diǎn)。

由簇頭分布情況可以知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)分布還算比較均勻，沒(méi)有簇頭節(jié)點(diǎn)過(guò)于集中或某些區(qū)域無(wú)簇頭節(jié)點(diǎn)的情況。

圖2和圖3分別給出了EEUC協(xié)議在343輪和改進(jìn)協(xié)議在456輪死亡節(jié)點(diǎn)情況，EEUC協(xié)議死亡節(jié)點(diǎn)分布還是比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)集中在某部分區(qū)域情況。改進(jìn)協(xié)議在450輪節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量還是不太大，但在460輪以后節(jié)點(diǎn)開(kāi)始快速死亡，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)迅速癱瘓，由圖3看出，改進(jìn)協(xié)議節(jié)點(diǎn)死亡會(huì)比較集中而且迅速擴(kuò)散至全網(wǎng)。

圖4給出了LEACH協(xié)議、EEUC協(xié)議和改進(jìn)的EEUC協(xié)議的仿真比較圖，由于節(jié)點(diǎn)能耗不均衡，LEACH協(xié)議在120多輪的時(shí)候開(kāi)始有節(jié)點(diǎn)死亡，在250輪左右節(jié)點(diǎn)死亡過(guò)半，到500輪左右節(jié)點(diǎn)幾乎全部死亡，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始死亡到全部死亡跨度比EEUC協(xié)議和改進(jìn)協(xié)議都大。EEUC協(xié)議自270輪左右出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡情況，在360輪到430輪區(qū)間節(jié)點(diǎn)迅速死亡，網(wǎng)絡(luò)癱瘓。而改進(jìn)的EEUC協(xié)議，在430輪左右出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，在470輪節(jié)點(diǎn)幾近全部死亡，跨度較小，也體現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)能耗相對(duì)比較均衡。因而，改進(jìn)的EEUC協(xié)議有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)非均勻分簇EEUC協(xié)議進(jìn)行研究并提出改進(jìn)，改進(jìn)協(xié)議通過(guò)節(jié)點(diǎn)與基站距離、相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量?jī)蓚€(gè)因素來(lái)決定成簇半徑。改進(jìn)協(xié)議的分簇閾值綜合考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量、相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)、簇內(nèi)通信代價(jià)以及節(jié)點(diǎn)與基站距離等因素，使得簇頭選擇更加合理分布更均衡。中繼路由節(jié)點(diǎn)的選擇上，除了考慮簇頭選擇因素外，還添加了中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量和信息量?jī)蓚€(gè)因素，優(yōu)化各中繼節(jié)點(diǎn)通信信息量，均衡中繼節(jié)點(diǎn)能量損耗。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的協(xié)議更好的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)分簇，均衡路由節(jié)點(diǎn)通信信息量，提升網(wǎng)絡(luò)能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。