基于節(jié)點(diǎn)密度與TDMA的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集簇協(xié)議*

徐祥振，汪成亮

（重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院信息物理社會可信服務(wù)計(jì)算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）利用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信自組織形成網(wǎng)絡(luò)，能夠有效地感應(yīng)、監(jiān)控并傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的多種信息。由于具有節(jié)點(diǎn)成本低、易于布置等優(yōu)點(diǎn)，WSN在國防軍事、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。然而WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)能量絕大部分情況下只能以電池的方式提供，難以補(bǔ)充能量。并且WSN廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)危險地區(qū)，只能采取飛機(jī)播散等方式布置節(jié)點(diǎn)，將會出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分布不均勻現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)分布密集區(qū)域同一事件將被多個節(jié)點(diǎn)重復(fù)監(jiān)測，將會出現(xiàn)大量冗余數(shù)據(jù)。因此，如何優(yōu)化WSN能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)整體生存周期，避免節(jié)點(diǎn)間干擾，解決節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域數(shù)據(jù)冗余問題已成為WSN領(lǐng)域研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)［2-6］。

針對以上問題，文獻(xiàn)［7］提出的LEACH協(xié)議通過隨機(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn)，將簇首能量開銷分?jǐn)傊撩總€節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)整體生存周期的目的，同時在簇內(nèi)采用時分多址（TDMA）、簇間采用碼分復(fù)用（CDMA）技術(shù)避免節(jié)點(diǎn)間相互干擾，但是LEACH協(xié)議存在著簇首分布不均勻?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)能耗過高，個別節(jié)點(diǎn)過早死亡等問題，而且采用CDMA技術(shù)將極大提高單個節(jié)點(diǎn)的成本，不適用于大規(guī)模布置的WSN。文獻(xiàn)［8］在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過在選舉簇首時考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，解決了個別節(jié)點(diǎn)過早死亡的問題，但協(xié)議仍然存在簇首分布不均勻的問題。文獻(xiàn)［9］提出一種簇內(nèi)多跳路由協(xié)議解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗不均勻的問題，但是該協(xié)議復(fù)雜度過高。文獻(xiàn)［10］通過將節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域部分節(jié)點(diǎn)休眠，解決了節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域能量浪費(fèi)和數(shù)據(jù)冗余性的問題，但未考慮簇間干擾現(xiàn)象。文獻(xiàn)［11］在簇間通信引入頻分多址（FDMA）技術(shù)，并采用著色定理劃分頻點(diǎn)，相比LEACH協(xié)議在一定程度上降低了節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)成本，但依然存在著節(jié)點(diǎn)成本較高，協(xié)議擴(kuò)展性差的問題。文獻(xiàn)［12］提出一種基于TDMA的方案避免WSN簇間干擾，但是該協(xié)議需所有節(jié)點(diǎn)均獲得全局節(jié)點(diǎn)位置信息，在實(shí)際應(yīng)用中局限性較大。文獻(xiàn)［13］通過引入超級幀保證相鄰簇具有不同時隙，但是該協(xié)議會造成信道的嚴(yán)重浪費(fèi)。文獻(xiàn)［14］要求簇首節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽鄰居簇首的調(diào)度和功率級別以便分配簇內(nèi)TDMA時隙，該協(xié)議將導(dǎo)致簇首節(jié)點(diǎn)能耗過高，同時協(xié)議不能完全避免簇間干擾。

針對WSN及目前已有協(xié)議存在的問題，本文提出了一種基于節(jié)點(diǎn)密度與TDMA的WSN自適應(yīng)集簇分層（DT-LEACH）協(xié)議。DT-LEACH協(xié)議通過在簇首選舉階段考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，避免低能量節(jié)點(diǎn)因成為簇首而過早死亡，同時限制簇首節(jié)點(diǎn)的廣播范圍，以保證簇首的均勻分布。在簇首選舉階段后，DT-LEACH協(xié)議引入TDMA時隙分配階段，各個節(jié)點(diǎn)根據(jù)所處區(qū)域節(jié)點(diǎn)密度對TDMA時隙進(jìn)行競爭，節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)將具有相對較低的競爭力，競爭失敗的節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠模式，在不增加節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)成本的情況下，僅采用TDMA技術(shù)有效地避免了簇間干擾，同時，部分節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)因競爭失敗進(jìn)入休眠模式，降低了節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域數(shù)據(jù)冗余性和網(wǎng)絡(luò)能耗。

1 WSN網(wǎng)絡(luò)模型

為了易于描述提出的DT-LEACH協(xié)議以及論文表述的一致性，本文對WSN網(wǎng)絡(luò)模型有如下假設(shè)：

①網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度分布不均勻，將節(jié)點(diǎn)密度大于網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)密度的區(qū)域稱之為密集區(qū)域；將節(jié)點(diǎn)密度小于網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)密度的區(qū)域稱之為稀疏區(qū)域［10］；②基站位置固定并且遠(yuǎn)離WSN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域，基站能量可得到持續(xù)供應(yīng)；③所有傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量相同，記為E，節(jié)點(diǎn)能量有限且無法補(bǔ)充；④所有傳感器節(jié)點(diǎn)同構(gòu)且在網(wǎng)絡(luò)中的作用和地位相同，每個傳感器具有唯一標(biāo)識，文中分別標(biāo)識為1～N，N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)；⑤所有傳感器節(jié)點(diǎn)時鐘同步；⑥傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率可控，數(shù)據(jù)傳輸能量消耗符合第一順序無線電模式［7］；⑦WSN網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點(diǎn)所占最優(yōu)比例約為P；⑧WSN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域面積為S。

根據(jù)第一順序無線電模式，節(jié)點(diǎn)i向與其距離為d的節(jié)點(diǎn)j發(fā)送K比特?cái)?shù)據(jù)包時的能耗為：

其中，Eelec為節(jié)點(diǎn)發(fā)送/接收單位比特?cái)?shù)據(jù)消耗的能量，參數(shù)εfs和εmp取決于信號放大器的放大倍數(shù)，錯誤!未找到引用源。，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的距離d大于d0時，能量消耗采用多路徑衰減模型，當(dāng)d小于d0時，能量消耗采用Friss自由空間模型。如果節(jié)點(diǎn)i的發(fā)送能量小于ETx（k，d），節(jié)點(diǎn)j將不能收到任何信號。

節(jié)點(diǎn)j接收節(jié)點(diǎn)i傳送的K比特?cái)?shù)據(jù)包的能耗為

2 DT-LEACH協(xié)議

本文提出的DT-LEACH協(xié)議以輪為單位進(jìn)行工作，每輪分為三個階段：簇首選擇階段、TDMA時隙分配階段和穩(wěn)定工作階段。其中簇首選擇階段各個節(jié)點(diǎn)競爭成為簇首，TDMA時隙分配階段各個簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)競爭TDMA時隙，穩(wěn)定工作階段各個普通工作節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并傳送至對應(yīng)簇首，簇首匯總聚合數(shù)據(jù)并傳送至基站，穩(wěn)定工作階段持續(xù)時間遠(yuǎn)大于前兩階段。本節(jié)將對DT-LEACH協(xié)議的簇首分配階段和TDMA時隙競爭階段進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 簇首選舉階段

由于簇首節(jié)點(diǎn)能耗遠(yuǎn)高于普通節(jié)點(diǎn)，為了避免剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)因當(dāng)選簇首節(jié)點(diǎn)而過早死亡，均衡WSN網(wǎng)絡(luò)能耗負(fù)載，DT-LEACH協(xié)議通過考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量因素，提出一種新的簇首選擇方案。

在簇首選擇階段，每個節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個定時器，計(jì)時結(jié)束后成為簇首節(jié)點(diǎn)，并向范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播。

在設(shè)定定時器時，需要保證當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)剩余能量較多，因此，在文獻(xiàn)［7］提出的LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上，綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的影響，提出式（3）設(shè)定定時器。

其中，W1和W2分別為隨機(jī)數(shù)和節(jié)點(diǎn)百分比剩余能量的加權(quán)系數(shù)，RData為0～1的隨機(jī)數(shù)，CE為節(jié)點(diǎn)每輪平均百分比能量消耗，r為當(dāng)前輪數(shù)，Ei為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量，E為節(jié)點(diǎn)的初始能量。式（3）中第一項(xiàng)能保證各個節(jié)點(diǎn)定時器倒計(jì)時不盡相同，第二項(xiàng)能保證剩余能量較大的節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時時長較短，優(yōu)先結(jié)束倒計(jì)時并廣播成為簇首節(jié)點(diǎn)，而剩余能量較小的節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時長則較長，能在倒計(jì)時結(jié)束前收到鄰居節(jié)點(diǎn)成為簇首的廣播消息而成為普通節(jié)點(diǎn)。

每個簇首的監(jiān)控面積Sc是以該簇首為圓心，簇首的偵聽半徑R為半徑的圓形區(qū)域，即Sc=π*R2。根據(jù)假設(shè)7和假設(shè)8，每個簇首的平均監(jiān)控面積Sc約為P*S，因此，簇首的偵聽半徑R估值為：

其中εr為修正系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值為1，可根據(jù)具體應(yīng)用場景網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)對偵聽半徑R進(jìn)行修正，確保簇首比例約為P。

根據(jù)假設(shè)［6］，各個節(jié)點(diǎn)根據(jù)偵聽半徑R的估值和式（1）確定發(fā)射功率ER，并根據(jù)式（3）設(shè)定定時器，統(tǒng)一開始倒計(jì)時，當(dāng)節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時順利結(jié)束時，則以發(fā)射功率ER廣播自己成為簇首節(jié)點(diǎn)的消息，根據(jù)式（1），廣播的有效覆蓋范圍為以節(jié)點(diǎn)為圓心，R為半徑的圓形區(qū)域。該范圍內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息后停止倒計(jì)時，成為普通節(jié)點(diǎn)。由于采用式（3）設(shè)定定時器，可避免能量較低的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首節(jié)點(diǎn)。根據(jù)第1節(jié)中假設(shè)5和式（1），簇首節(jié)點(diǎn)的廣播消息能耗為：

其中KCH為廣播消息的比特長度。

若節(jié)點(diǎn)在定時器倒計(jì)時結(jié)束前收到了鄰居節(jié)點(diǎn)成為簇首的廣播消息，則該節(jié)點(diǎn)停止倒計(jì)時，成為普通節(jié)點(diǎn)，但節(jié)點(diǎn)繼續(xù)保持監(jiān)聽狀態(tài)，并記錄所有鄰居簇首，供TDMA時序分配階段使用。

下面將對DT-LEACH協(xié)議保證簇首均勻分布的原理進(jìn)行分析：由于普通節(jié)點(diǎn)成為簇首的廣播消息將被以該節(jié)點(diǎn)為圓心，R為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)接收，所以該區(qū)域內(nèi)將不會出現(xiàn)其它簇首，相鄰簇首間距離將大于R。下面，將采用反證法證明相鄰兩簇首間距離將小于2R。假定簇首i與簇首j為相鄰簇首，且簇首i與簇首j之間距離大于2R，那么在兩個簇首之間存在一片區(qū)域，該區(qū)域?qū)o法接收到簇首i和簇首j成為簇首的廣播消息，假定根據(jù)式（3）節(jié)點(diǎn)k具有該區(qū)域最小倒計(jì)時時長，那么節(jié)點(diǎn)k倒計(jì)時結(jié)束后將廣播成為簇首k，且簇首k位于簇首i和簇首j之間，簇首i和簇首j為相鄰簇首假設(shè)不成立，相鄰簇首間距離小于2R。因此，采用DTLEACH協(xié)議相鄰簇首間距離將大于R小于2R，能有效避免簇首扎堆現(xiàn)象，保證簇首均勻分布。

因此，根據(jù)式（3），DT-LEACH協(xié)議能夠避免低能量節(jié)點(diǎn)因當(dāng)選簇首而過早死亡，根據(jù)式（5）以及上述分析，DT-LEACH協(xié)議能夠保證簇首的均勻分布。DT-LEACH協(xié)議簇首選擇階段流程圖如圖1所示。

圖1 簇首選擇階段流程圖

2.2 TDMA時隙分配階段

在TDMA時隙分配階段，所有存活普通節(jié)點(diǎn)將根據(jù)所處區(qū)域節(jié)點(diǎn)密度同時對TDMA時隙進(jìn)行競爭，競爭失敗的節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠模式以避免因時隙不足發(fā)生簇間干擾。DT-LEACH協(xié)議通過讓密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)具有較低的競爭力，部分密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，降低了密集區(qū)域正常工作節(jié)點(diǎn)的密度，減少了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的冗余性。

TDMA時序分配初始階段，各個存活的普通節(jié)點(diǎn)以半徑RD向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播，同時偵聽并統(tǒng)計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播消息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)所處區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布密度D（i），如式（6）所示［10］。

其中Nbroadcast為節(jié)點(diǎn)i接收到的不同鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播數(shù)目。

普通節(jié)點(diǎn)在計(jì)算所處區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布密度后，根據(jù)式（7）設(shè)置定時器，統(tǒng)一進(jìn)入倒計(jì)時，并維護(hù)一張TDMA時隙占用表，初始時，所有時隙均標(biāo)記為“空閑”。

其中，W3和W4分別為隨機(jī)數(shù)和節(jié)點(diǎn)i所處區(qū)域相對節(jié)點(diǎn)密度的加權(quán)系數(shù)，RData為0～1的隨機(jī)數(shù)，Daverage為WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均分布密度，由式（8）計(jì)算。式（7）中第一項(xiàng)能保證各個節(jié)點(diǎn)定時器倒計(jì)時不盡相同，第二項(xiàng)能保證稀疏區(qū)域的節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時時長較短，具有較強(qiáng)的TDMA時隙競爭力，優(yōu)先結(jié)束倒計(jì)時選取TDMA時隙并向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播，而密集區(qū)域的節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時長則較長，TDMA時隙競爭力較差，部分節(jié)點(diǎn)因TDMA時隙用盡進(jìn)入休眠模式。

其中Nalive為普通節(jié)點(diǎn)存活數(shù)目。

對簇間干擾現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，發(fā)生簇間干擾需有以下兩個前提：①兩個普通節(jié)點(diǎn)處于同一個簇的偵聽范圍內(nèi)；②兩個普通節(jié)點(diǎn)占用同一TDMA時隙傳送數(shù)據(jù)。

根據(jù)前提條件1可知，發(fā)生簇間干擾的兩個普通節(jié)點(diǎn)間的距離必然小于簇首偵聽半徑R的兩倍，即2R。由于WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在部署后位置固定，前提條件1無法改變，因此DT-LEACH協(xié)議通過給兩個普通節(jié)點(diǎn)分配不同TDMA時隙或者令其中一個節(jié)點(diǎn)休眠以避免簇間干擾。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)定時器倒計(jì)時順利結(jié)束時，該節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個空閑TDMA時隙Ti，并以2R為半徑廣播宣布占用該TDMA時隙（所有可能與該節(jié)點(diǎn)發(fā)生簇間干擾的節(jié)點(diǎn)均在此范圍內(nèi)），廣播消息同時包含該節(jié)點(diǎn)的分簇信息，即該節(jié)點(diǎn)處于哪些簇首偵聽范圍內(nèi)。

若節(jié)點(diǎn)在定時器倒計(jì)時結(jié)束前收到鄰居節(jié)點(diǎn)的TDMA時隙占用廣播消息，則首先檢查是否與該鄰居節(jié)點(diǎn)處于同一簇首偵聽范圍內(nèi)，若否，則丟棄該消息繼續(xù)倒計(jì)時，若是，則將維護(hù)的TDMA時隙占用表中該時隙標(biāo)記為“已占用”，如果所有時隙均被標(biāo)記為“已占用”，則該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，反之則繼續(xù)倒計(jì)時，并保持偵聽鄰居節(jié)點(diǎn)廣播信息。

圖2為DT-LEACH協(xié)議TDMA時隙分配階段流程圖。根據(jù)式（7），密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)的倒計(jì)時較長，TDMA時隙競爭力較弱，稀疏區(qū)域節(jié)點(diǎn)的倒計(jì)時較短，TDMA時隙競爭力較強(qiáng)，因此DT-LEACH協(xié)議能保證稀疏區(qū)域節(jié)點(diǎn)優(yōu)先獲得TDMA時隙，部分密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)因TDMA時隙用盡進(jìn)入休眠狀態(tài)，在有效避免簇間干擾的情況下降低了密集區(qū)域正常工作節(jié)點(diǎn)的密度，進(jìn)而降低了數(shù)據(jù)的冗余性和WSN網(wǎng)絡(luò)能耗。

圖2 TDMA時隙分配階段流程圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

為了對DT-LEACH協(xié)議性能進(jìn)行測試與分析，本節(jié)將開展基于Matlab軟件的仿真實(shí)驗(yàn)，如實(shí)驗(yàn)中無特殊說明，實(shí)驗(yàn)參數(shù)均根據(jù)第一順序無線電模式設(shè)置，如表1所示。

為了仿真節(jié)點(diǎn)分布密度不均勻情況，實(shí)驗(yàn)設(shè)定WSN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域左下角為密集區(qū)域，例如40%密集度表示40%的節(jié)點(diǎn)位于左下角1/4區(qū)域，其余節(jié)點(diǎn)在剩余區(qū)域均勻分布［10］，公式（4）修正系數(shù)εr設(shè)為1。

仿真實(shí)驗(yàn)將分別從簇首扎堆問題、網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化效果和簇間抗干擾能力三個方面對提出的DT-LEACH協(xié)議和對比組協(xié)議進(jìn)行比較，其中簇首扎堆問題和網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化效果的對比組協(xié)議為LEACH協(xié)議［7］，簇間抗干擾能力的對比組協(xié)議選定為D-LEACH 協(xié)議［10］。

實(shí)驗(yàn)1：本實(shí)驗(yàn)旨在測試DT-LEACH協(xié)議確保簇首均勻分布，避免簇首扎堆的性能，圖3（a）與圖3（b）分別為采用LEACH協(xié)議［7］和DT-LEACH協(xié)議時WSN網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定工作階段的狀態(tài)圖，密集度為40%，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定如表1所示。圖3中方塊表示簇首節(jié)點(diǎn)，圓圈表示普通節(jié)點(diǎn)，三角表示休眠節(jié)點(diǎn)。為了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析，采用文獻(xiàn)［15］中提出的均勻度來衡量簇首節(jié)點(diǎn)分布的均勻程度，圖 3（a）中LEACH協(xié)議簇首均勻度為 0.5091，圖3（b）中DT-LEACH協(xié)議簇首均勻度為0.816 9，可以看到，采用LEACH協(xié)議時簇首分布不均勻，出現(xiàn)扎堆現(xiàn)象，而采用DT-LEACH協(xié)議時簇首節(jié)點(diǎn)分布均勻，未出現(xiàn)扎堆現(xiàn)象，同時休眠節(jié)點(diǎn)集中在密集區(qū)域，有效地解決了密集區(qū)域數(shù)據(jù)冗余性問題。

圖3 40%密集度WSN節(jié)點(diǎn)功能劃分示意圖

表1 WSN網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)2：本實(shí)驗(yàn)旨在測試DT-LEACH協(xié)議對WSN網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的性能，實(shí)驗(yàn)采用LEACH協(xié)議與DT-LEACH協(xié)議進(jìn)行對比，其中LEACH協(xié)議簇內(nèi)采用TDMA協(xié)議，簇間采用CDMA協(xié)議，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可以看到，相比于LEACH協(xié)議，DT-LEACH協(xié)議能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)一步優(yōu)化，大幅提高WSN網(wǎng)絡(luò)的生存周期，同時，隨著網(wǎng)絡(luò)密集度的提升，DT-LEACH協(xié)議的優(yōu)勢愈加顯著。

實(shí)驗(yàn)3：本實(shí)驗(yàn)旨在測試DT-LEACH協(xié)議避免簇間干擾的性能，實(shí)驗(yàn)以WSN網(wǎng)絡(luò)中除休眠節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)外，能夠無干擾傳送數(shù)據(jù)的普通節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)為評價指標(biāo)。在不同節(jié)點(diǎn)分布密度下，采用文獻(xiàn)［10］中提出的D-LEACH協(xié)議作為對比組協(xié)議與本文提出的DT-LEACH協(xié)議進(jìn)行比對。為了測試結(jié)果表述的清晰，將WSN網(wǎng)絡(luò)生存周期分為3個時間段，分別是：時間段1為網(wǎng)絡(luò)起始工作至第一個節(jié)點(diǎn)死亡，時間段2為網(wǎng)絡(luò)第一個節(jié)點(diǎn)死亡至半數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡，時間段3為網(wǎng)絡(luò)半數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡至全數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡。測試結(jié)果如表3所示?？梢钥吹?，在任一時間段，采用D-LEACH協(xié)議時大部分普通節(jié)點(diǎn)均因?yàn)榇亻g干擾無法與簇首正常通信，而采用DT-LEACH協(xié)議時則極大提高了抗簇間干擾性能，大部分普通節(jié)點(diǎn)均能與簇首節(jié)點(diǎn)正常通信，很好地避免了簇間干擾。

表2 LEACH協(xié)議與DT-LEACH協(xié)議性能比較 單位：輪

表3 D-LEACH協(xié)議與DT-LEACH協(xié)議避免簇間干擾性能比較

4 結(jié)語

本文提出一種基于節(jié)點(diǎn)密度的WSN低功耗自適應(yīng)集簇分層協(xié)議，通過對LEACH協(xié)議簇首選舉方案進(jìn)行改進(jìn)，克服了LEACH協(xié)議簇首分布不均勻和低能量節(jié)點(diǎn)過早死亡的缺點(diǎn)，同時引入TDMA時隙分配階段，節(jié)點(diǎn)根據(jù)所處區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布密度自主競爭TDMA時隙，競爭失敗節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，能夠在消除簇間干擾的情況下有效地降低WSN網(wǎng)絡(luò)能耗和節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域的數(shù)據(jù)冗余性。由于DT-LEACH協(xié)議僅使用TDMA技術(shù)，對硬件要求低，有利于單個傳感器節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)成本的降低。仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了DT-LEACH協(xié)議的優(yōu)越性。

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