基于權(quán)重的NPCHS-Leach協(xié)議簇頭選取策略優(yōu)化研究*

王靈矯，彭志強(qiáng)，李哲濤，郭華，鐘益群

（1.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411105；2.湖南省湘潭大學(xué)智能計(jì)算與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411105）

基于權(quán)重的NPCHS-Leach協(xié)議簇頭選取策略優(yōu)化研究*

王靈矯1，2*，彭志強(qiáng)1，2，李哲濤1，2，郭華1，2，鐘益群1，2

（1.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411105；2.湖南省湘潭大學(xué)智能計(jì)算與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411105）

Leach協(xié)議的提出很大程度上延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但簇頭的選取并未考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)分布情況，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量消耗不平衡。改進(jìn)的簇頭選擇協(xié)議NCHS-Leach（Novel Cluster Head Selecting Leach）存在沒有考慮節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭次數(shù)以及節(jié)點(diǎn)距離基站的距離等問題。據(jù)此，該文提出了改進(jìn)協(xié)議—基于權(quán)值的簇頭選取NPCHS-Leach（Novel Power Cluster Head Selecting Leach）協(xié)議，在選取簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、距離、節(jié)點(diǎn)成為簇頭的次數(shù)以及偵聽密度，優(yōu)化簇頭節(jié)點(diǎn)選取策略延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。通過MATLAB工具軟件隨機(jī)建立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠MNPCHS-Leach協(xié)議、Leach協(xié)議以及NCHS-Leach協(xié)議的運(yùn)行，其仿真結(jié)果表明該協(xié)議比NCHS-Leach協(xié)議延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期40～50%。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低能耗；權(quán)重；分簇；Leach協(xié)議；

EEACC：6150P；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2015.12.020

隨著微電子、無線通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種集成多種功能的低成本小型傳感器節(jié)點(diǎn)被廣泛使用。大量的該類多功能節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，就形成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1-2］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合環(huán)境監(jiān)控，如類似于森林火災(zāi)報(bào)警等難以靠近的場(chǎng)所進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用［3-4］，文獻(xiàn)［3-4］提出了利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)預(yù)防森林火災(zāi)的重要性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)和Internet路由［5-6］，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然在結(jié)構(gòu)上和Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)和相似，但是Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)不是一個(gè)個(gè)的傳感器，而是便攜式計(jì)算機(jī)、掌上電腦、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）等移動(dòng)終端設(shè)備。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于傳統(tǒng)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并且分布密度大。節(jié)點(diǎn)較之傳統(tǒng)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)更容易出錯(cuò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和電能也十分有限，所以，降低節(jié)點(diǎn)能耗和成本是設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要考慮的因素之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由電池供電并且常常隨機(jī)和廣泛部署，充電變得不可能，因此，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力和感知能力都有限，減少節(jié)點(diǎn)的能源消耗顯得非常必要［7-8］。大量研究結(jié)果不斷表明，提出創(chuàng)新的路由算法和有效地利用可用的能量以確保網(wǎng)絡(luò)更健壯、可靠和準(zhǔn)確具有現(xiàn)實(shí)的理論和實(shí)際意義。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由分為平面路由，分層路由，基于位置的路由取決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［9-10］。分層路由也稱為集群路由［11-12］，這類型路由的傳感器節(jié)點(diǎn)被分組在一起并形成簇。在每一個(gè)簇中，能量越高的節(jié)點(diǎn)被分配以作為一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)CH（Cluster Head），成為領(lǐng)導(dǎo)者負(fù)責(zé)自行收集和匯總數(shù)據(jù)并將各自的集群和傳輸匯總各自集群內(nèi)的數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)至基站BS（Base Station）［13-14］。

基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議有Leach［15-17］，NCHS-Leach［18］，CHEF［19］，I-Leach［20］等。Leach協(xié)議是最簡(jiǎn)單的分層路由協(xié)議，主要目的是平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。但是，Leach能量消耗不均衡，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過早死亡。NCHS-Leach協(xié)議是基于分簇的能量有效路由協(xié)議，NCHS-Leach并沒有考慮節(jié)點(diǎn)密度和節(jié)點(diǎn)成為簇頭次數(shù)等因素。Kim提出的基于能量和距離CHEF算法在選取簇頭還是隨機(jī)地選取候選節(jié)點(diǎn)，不夠完善。在Leach協(xié)議的基礎(chǔ)延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期22.7%，CHEF協(xié)議是以模糊邏輯為基礎(chǔ)來選取局部簇頭節(jié)點(diǎn)。I-Leach協(xié)議在Leach協(xié)議基礎(chǔ)使網(wǎng)路生命周期延長(zhǎng)了55%。NCHS-Leach算法分為兩個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段和穩(wěn)定階段，由于NCHS-Leach協(xié)議在每個(gè)輪回選取簇頭時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的次數(shù)以及離基站的距離、權(quán)重系數(shù)，被選中的簇頭并不是最優(yōu)的。在Leach和NCHS-Leach協(xié)議的基礎(chǔ)上本文提出NPCHS-Leach協(xié)議，基本思想是：在選取簇頭時(shí)，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)能量，節(jié)點(diǎn)成為簇頭次數(shù)，偵聽密度，離基站距離以及當(dāng)前輪最優(yōu)簇頭次數(shù)，并引入權(quán)重因子，權(quán)重因子的值由層次分析法確定。

1　Leach協(xié)議及其NCHS-leach的分析

1.1Leach協(xié)議

Leach協(xié)議隨機(jī)選取簇頭節(jié)點(diǎn)，在確定簇頭結(jié)點(diǎn)前，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0～1之間的隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)小于給定的閾值T（n），該節(jié)點(diǎn)在本輪被選中為簇頭。T（n）由式（1）計(jì)算得出。

式中：p為簇中節(jié)點(diǎn)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率，r為當(dāng)前輪序號(hào)，G為前r-1個(gè)輪回未被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。Leach協(xié)議隨機(jī)選取的簇頭節(jié)點(diǎn)不能保證簇頭是最優(yōu)的，則網(wǎng)絡(luò)能量不能有效地利用，使之達(dá)到最低能耗。

1.2NCHS-Leach協(xié)議

Leach協(xié)議沒有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，剩余能量為0.5 J和0.05 J的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率基本上是一致的，而簇頭節(jié)點(diǎn)比普通節(jié)點(diǎn)的能耗大，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不平衡。Leach協(xié)議選取的簇頭節(jié)點(diǎn)太過于集中，部分區(qū)域簇頭節(jié)點(diǎn)過多，部分區(qū)域簇頭節(jié)點(diǎn)較少等特點(diǎn)會(huì)增加非簇頭通信代價(jià)，因此文獻(xiàn)［21］提出了偵聽密度的概念并改進(jìn)了Leach協(xié)議，即NCHS-Leach協(xié)議。NCHS-Leach協(xié)議簇頭選取與Leach協(xié)議相類似，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)0到1之間的隨機(jī)數(shù)，只是前者在閾值的確定上考慮了能量和偵聽密度兩個(gè)因素。較少能量的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該少活動(dòng)，成為簇頭的概率應(yīng)小些，具有較大剩余能量的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率應(yīng)該大一點(diǎn)，以此來均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗；節(jié)點(diǎn)密度較大區(qū)域的簇頭個(gè)數(shù)也應(yīng)該相對(duì)更為密集。閾值大小決定著節(jié)點(diǎn)當(dāng)前輪是否能成為簇頭，其值由式（2）所決定：

式中：δ為具體應(yīng)用相關(guān)常量，Er為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量，SIn為節(jié)點(diǎn)偵聽密度。

2　改進(jìn)的NPCHS-Leach協(xié)議

2.1NCHS-Leach協(xié)議存在的問題

①NCHS-Leach協(xié)議沒有考慮當(dāng)前輪狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)簇頭個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)最優(yōu)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最優(yōu)簇頭數(shù)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的5%［22-23］。

②NCHS-Leach協(xié)議未考慮節(jié)點(diǎn)到基站的距離和節(jié)點(diǎn)成為簇頭次數(shù)以及選取簇頭頻率，距離基站越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)通信所消耗的能量越多，簇頭選取頻率太過頻繁將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

③NCHS-Leach協(xié)議沒有考慮各個(gè)權(quán)重因子的大小，但各個(gè)因數(shù)對(duì)簇頭影響不同。

2.2NPCHS-Leach協(xié)議

NPCHS-Leach協(xié)議把一個(gè)周期分為初始階段和工作階段兩個(gè)時(shí)間段，初始階段網(wǎng)絡(luò)開始建立選取簇頭節(jié)點(diǎn)以及確立普通節(jié)點(diǎn)，工作階段網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)開始收發(fā)數(shù)據(jù)。在NCHS-Leach協(xié)議的基礎(chǔ)上，為了保證每輪簇頭數(shù)量最優(yōu)，特加入最優(yōu)簇頭個(gè)數(shù)optcoutCHs控制因子。為了平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能耗最低以及節(jié)點(diǎn)成為簇頭次數(shù)較多時(shí)不能正常工作的情況，節(jié)點(diǎn)距基站距離Dcurr和節(jié)點(diǎn)成為簇頭次數(shù)S（i）.CH引入閾值計(jì)算中，引入權(quán)重系數(shù)后的閾值由式（3）確定。

式中：δ是權(quán)重系數(shù)值，可由層次分析法可以計(jì)算獲得，Ecurr為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量，Dmax、Dcurr為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)離

基站的最遠(yuǎn)距離以及當(dāng)前輪節(jié)點(diǎn)離基站的距離，S（i）.CH為節(jié)點(diǎn)i成為簇頭的次數(shù)。

2.3權(quán)重系數(shù)值的確定

根據(jù)層次分析法（Analytic Hierarchy，Process AHP）［24-25］可把該問題分為如下步驟進(jìn)行。

①建立如圖1所示的層次結(jié)構(gòu)模型。

圖1簇頭選取的層次模型

圖1R中分為三層，目的層是選取簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)的選取必須根據(jù)規(guī)則層中的四個(gè)因素來進(jìn)行確定，選取的范圍是網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)。

②構(gòu)造對(duì)比矩陣

參照Saaty教授的標(biāo)度法能得出表1因子標(biāo)度法。表1中βi和βj是指節(jié)點(diǎn)剩余能量因子、節(jié)點(diǎn)與基站的距離因子、節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭次數(shù)因子、節(jié)點(diǎn)偵聽密度因子在選取簇頭時(shí)所占的權(quán)重值，其中節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)與基站的距離、節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭次數(shù)、節(jié)點(diǎn)偵聽密度兩兩之間的重要程度用矩陣A來表示，如式（4）所描述，b12代表節(jié)點(diǎn)剩余能量因子和節(jié)點(diǎn)與基站之間距離因子之間重要程度比值，同理A中各項(xiàng)都是各種因子之間的重要程度比值。能量因子與距離因子相比較，節(jié)點(diǎn)剩余能量在網(wǎng)絡(luò)中占主導(dǎo)地位，節(jié)點(diǎn)偵聽密度次之，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭次數(shù)以及節(jié)點(diǎn)與基站的距離相對(duì)次之，固b12=5，b13=5，b14=3。同理節(jié)點(diǎn)與基站之間距離相對(duì)比節(jié)點(diǎn)成為簇頭次數(shù)重要，而節(jié)點(diǎn)偵聽密度相對(duì)于節(jié)點(diǎn)與基站的距離更重要。根據(jù)兩因子相比較得出A，式（5）所示。

表1　R因子標(biāo)度法

設(shè)β=（β1,β2,β3,β4）T是4階判斷矩陣的排序權(quán)重向量，當(dāng)權(quán)重系數(shù)矩陣A為一致性判斷矩陣時(shí)，有式（6）用權(quán)重系數(shù)矩陣值β=（β1,β2,β3,β4）T右乘上式，可得到λβ=Aβ，則β為A的特征向量，且特征根為λ。

即對(duì)于一致性判斷矩陣，排序向量β就是A的特征向量。由一致性正互反矩陣的性質(zhì)［26-27］可知，當(dāng)A具有一致性時(shí)，λmax對(duì)應(yīng)的特征向量歸一化后，β為權(quán)重向量，它表示（β1,β2,β3,β4）在準(zhǔn)則層中選取簇頭時(shí)的權(quán)重，即權(quán)重構(gòu)造矩陣有效。當(dāng)A不具有一致性，則λmax＞λ，這時(shí)的特征向量β=（β1,β2,β3,β4）T就不能很好地體現(xiàn)出在簇頭選取中各因素所占比重，則可用一個(gè)衡量不一致程度的數(shù)量指標(biāo)來描述，其定義為式（7）：

式中：n表示簇頭選取時(shí)權(quán)重系數(shù)元素的個(gè)數(shù)，RI表示權(quán)重系數(shù)平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值由表2可得，其值是根據(jù)Saaty總結(jié)的平均一致性指標(biāo)所得。

表2　R平均一致性指標(biāo)值

根據(jù)層次分析法中的權(quán)值計(jì)算公式即可得出β歸一化后的值δ，即可計(jì)算出最優(yōu)的權(quán)重系數(shù)值δ1=0.473、δ2=0.153、δ3= 0.059、δ4=0.315。

2.4NPCHS-Leach協(xié)議具體實(shí)現(xiàn)

①第一輪開始前節(jié)點(diǎn)廣播“Hello”（ID和位置信息）消息到基站，基站依據(jù)收到的消息計(jì)算得出所有節(jié)點(diǎn)與基站的距離把距離及其最大距離信息返回給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，前者在隨后的簇頭選擇輪次中保持不變。每輪開始前，基站統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)簇頭個(gè)數(shù)Nopt。

②在NPCHS-Leach協(xié)議中，每一輪簇形成之前各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)0到1000的隨機(jī)數(shù)Nrand。通過鄰居節(jié)點(diǎn)廣播“Hello”消息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就得到鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)的ID和坐標(biāo)，存放在自身的鄰居表Snei。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)式（3）得出Tn值，并與相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行比較，如果Tn＞Nrand，該節(jié)點(diǎn)就作為候選簇頭節(jié)點(diǎn)，并放入S_CH集合中。如果節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為0，則退出選舉算法，否則，基站根據(jù)候選節(jié)點(diǎn)離基站的遠(yuǎn)近和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)選取簇頭，距離越近且鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)越多的節(jié)點(diǎn)就為簇頭，直到最優(yōu)簇頭選取完畢。節(jié)點(diǎn)i成為簇頭后，向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭消息，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居表Snei的信息選擇最近的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送“join_request”消息，簇頭節(jié)點(diǎn)收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的“join_request”消息后，登記節(jié)點(diǎn)信息并發(fā)送響應(yīng)消息“CH_response”，所有節(jié)點(diǎn)歸屬完簇后，協(xié)調(diào)建立一個(gè)TDMA的時(shí)間調(diào)度機(jī)制以確保簇頭與節(jié)點(diǎn)間的消息收發(fā)不受干擾，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照劃分的時(shí)隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，簇建立結(jié)束。

③簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)在簇建立后開始傳輸數(shù)據(jù)至簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后轉(zhuǎn)發(fā)至基站或sink節(jié)點(diǎn)，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的能量達(dá)到預(yù)定的能量閾值E總/Surival_Nodes時(shí)會(huì)給基站發(fā)送一個(gè)重新分簇的“Re_clu”請(qǐng)求，基站收到“Re_clu”消息后會(huì)通過發(fā)送“Re_clu_ack”給各簇頭啟動(dòng)下一輪分簇，簇頭收到基站發(fā)送的“Re_clu_ack”給予回復(fù)，啟動(dòng)下一輪分簇。簇頭向簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)廣播重新分簇消息“R_clu”。

節(jié)點(diǎn)側(cè)的NPCHS-Leach算法偽代碼：

Begin：

#defineN100//網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)

#definedeEini0.5//節(jié)點(diǎn)初始能量

Survival_Nodes=N，Eres，Nopt=N*0.05，E0=E總/N；

BroadMulti（Helllo）//節(jié)點(diǎn)廣播Hello消息到基站和鄰居節(jié)點(diǎn)；

ReceiveMes（dist，MaxDist）；//節(jié)點(diǎn)收到基站發(fā)送的距離消息

While（NextRound）

for i=1；i++；i＜=Survival_Nodes；

｛Rand［i］=random（1，1000）；//當(dāng)前存活節(jié)點(diǎn)i產(chǎn)生1到1000的隨機(jī)數(shù)；

BroaMulti（Hello）；//節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播Hello消息；

RecandCopu（Hello）；//節(jié)點(diǎn)接收鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的Hello消息；

SeleCH（Nrand）；//計(jì)算閾值與選取候選簇頭節(jié)點(diǎn)；

DeciandJoin（ID）；

｝//選取簇頭及其節(jié)點(diǎn)歸屬；

Do｛

Send（Data）；

｝while（Event（CHEny＜CHEnyThr））；

TotEny=TotEnyComp（）；

If（TotEny＞TotEnyThr）｛

NextRound=True；

IniNextRoud（）；｝

end while

SeleCH（Rand［i］）｛//計(jì)算閾值與選取候選簇頭節(jié)點(diǎn)；

（Dmax/Dcurr）+δ3S（i）.CH+δ4SIn）

ifT［i］＞Rand［i］

ifNum［i］＞0then SetCH（ID）；//節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)大于0則節(jié)點(diǎn)i成為候選簇頭節(jié)點(diǎn)；

Endif；

Endif；｝

IniNextRoud（）｛//發(fā)起下一輪的簇頭選取

CHSend（Re_clu）；//簇頭節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送Re_clu重新分簇的請(qǐng)求消息；

WaitBS（T）；//等待基站回復(fù)消息；

Reciv（Re_clu_ack）；//解析來自基站；

Re_clu_ack消息和下一次分簇的能量閾值E；

BroadReclu（Re_clu）；｝//簇頭向所有普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送Re_clu分區(qū)消息；

開始下一輪。

3　仿真結(jié)果及其分析

3.1網(wǎng)絡(luò)壽命

本文的網(wǎng)絡(luò)壽命是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從正常工作狀態(tài)到不能正常處理數(shù)據(jù)或者不能工作的狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間，意味著網(wǎng)絡(luò)生命的終結(jié)。網(wǎng)絡(luò)總能量和存活節(jié)點(diǎn)數(shù)可用來衡量網(wǎng)絡(luò)壽命是否結(jié)束，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)總能量低于初始總能量1/3時(shí)，網(wǎng)絡(luò)功能會(huì)受很大影響。網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)越來越少意味著網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)也越來越不充分。

3.2仿真模型及其仿真結(jié)果

為了模擬提出的協(xié)議，根據(jù)Leach協(xié)議仿真模型建立了如下仿真模型：在100 m×100 m的場(chǎng)所內(nèi)隨機(jī)的部署100個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)初始能量設(shè)置為0.5 J，基站位置為（50，130），最優(yōu)簇頭系數(shù)為0.05，保證每輪簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)最優(yōu)，簇頭節(jié)點(diǎn)壓縮率為5%。

圖2為仿真模擬的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥\(yùn)行Leach協(xié)議、NCHS-Leach協(xié)議、CHEF協(xié)議和NPCHS-Leach協(xié)議第一節(jié)點(diǎn)和一半節(jié)點(diǎn)死亡周期圖。圖中能很明顯看出NPCHS-Leach協(xié)議第一節(jié)點(diǎn)和一半節(jié)點(diǎn)死亡輪數(shù)分別是在1 300和2 400時(shí)，NPCH-Leach最優(yōu)。節(jié)點(diǎn)死亡影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然而當(dāng)節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)超過網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)一半時(shí)，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)正常工作。

圖2和圖3中結(jié)果明確顯示NPCHS-Leach協(xié)議最優(yōu)，圖3說明運(yùn)行Leach協(xié)議和NCHS--Leach協(xié)議、CHEF的工作時(shí)間較短。而NPCHS-Leach協(xié)議網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更為穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間更長(zhǎng)。

圖2　R第一節(jié)點(diǎn)和一半節(jié)點(diǎn)死亡周期圖

圖3　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)與周期數(shù)關(guān)系示意圖

圖4R顯示出Leach協(xié)議和NCHS-Leach協(xié)議. CHEF協(xié)議分別在輪數(shù)為1 000和1 600、18 00時(shí)網(wǎng)絡(luò)的總能量少于1 J，網(wǎng)絡(luò)基本上就無法正常工作。NPCHS-Leach則是在輪數(shù)為4 000左右時(shí)網(wǎng)絡(luò)不能工作，該協(xié)議效果最好。因此，仿真結(jié)果說明了NPCHS-Leach協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)的分布比LEACH、NCHS-Leach、CHEF更加均勻。

圖4　網(wǎng)絡(luò)總能量值與網(wǎng)絡(luò)周期數(shù)關(guān)系示意圖

圖4R的結(jié)果很明顯地展示了Leach協(xié)議和NCHS-Leach總能量消耗較迅速，網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)間較短，這是源于NCHS-Leach和Leach沒有考慮最優(yōu)簇頭數(shù)，選取簇頭時(shí)沒有把節(jié)點(diǎn)剩余能量、離基站位置和節(jié)點(diǎn)成為簇頭次數(shù)考慮其中，導(dǎo)致離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)首先耗盡能量而死亡。

圖5（a）和圖5（b）證明了Leach協(xié)議和NCHSLeach協(xié)議中死亡節(jié)點(diǎn)主要分布在離基站較遠(yuǎn)的區(qū)域，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡，使死亡節(jié)點(diǎn)分布不均衡。圖5（c）表明了NPCHS-Leach中，由于考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量級(jí)別，使得死亡節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分布比較均勻，從而避免了由于死亡節(jié)點(diǎn)的不均勻分布導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)生命周期的縮短。而從圖2和圖3兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果可以得出NPCHSLeach在NCHS-Leach的基礎(chǔ)上生命周期提高了40%～50%。文獻(xiàn)［10-11］說明了CHEF，I-Leach比Leach能進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期分別達(dá)到22.7%、55%，因此NPCHS-Leach是最優(yōu)的。因此，NPCHS-Leach比Leach，NCHS-Leach，CHEF，I-Leach協(xié)議的工作周期更長(zhǎng)。

圖5　R節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)圖

4　結(jié)束語

文中提出了一種新的改進(jìn)型NPCHS-Leach協(xié)議，綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)能量消耗的平衡，分析影響網(wǎng)絡(luò)壽命的偵聽密度、剩余能量以及簇頭離基站距離等因素。在簇頭選取策略中引入了權(quán)重因子，考慮每個(gè)因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的影響程度賦予恰當(dāng)?shù)臋?quán)重以均衡網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，且優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)每輪簇頭個(gè)數(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化。從NPCHSLeach與LEACH、NCHS-Leach的性能對(duì)比仿真結(jié)果可以看出；對(duì)于給定的具有相同初始能量的節(jié)點(diǎn)，NPCHS-Leach經(jīng)歷的輪數(shù)更長(zhǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠獲得了更長(zhǎng)的生命周期，本文的改進(jìn)協(xié)議比NCHS-Leach的生命提高了大約40%～50%，是一種高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

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An Optimal Clustering Selection Strategy Study on the Weighted NCHS-Leach Protocol*

WANG Lingjiao1，2*，PENG Zhiqiang1，2，LI Zhetao1，2，GUO Hua1，2，ZHONG Yiqun1，2
（1.School of Information Engineering，Xiangtan University，Xiangtan Hu'nan 411105，China 2.Key Laboratory of Intelligent Computing&Information Processing of Ministry of Education，Xiangtan University，Hu'nan 411105，China）

The Leach protocol has been proposed to much extend the life cycle of the network，but the selection of cluster heads has not considered the present residual energy of nodes and nodes distribution，which leads to unbalanced energy consumption of the network.Its improved NCHS-Leach protocol has exist several problems，such as it does not consider the number of a node being elected cluster head node and the distance from the base station to cluster head node.Accordingly，this paper proposes an improved protocol，the NPCHS-Leach protocol，which comprehensively considers nodes'residual energy，the distance from the base station to the cluster head node，the number of a node being a cluster head and listen density to optimize the selection strategy of cluster head node to extend the network life cycle while selecting the cluster head nodes.Through a network topology established randomly by MATLAB simulates the operation of NPCHS-Leach protocol，Leach protocol and NCHS-Leach protocol，the simulation results show that NPCHS-Leach protocol can extend 40-50%of the network life cycle more than NCHS-Leach protocol.

wireless sensor networks；low energy consumption；weights；clustering；leach protocol

王靈矯（1971-），副教授，博士，四川西充縣人，1995年畢業(yè)于南京理工大學(xué)機(jī)電工程專業(yè)并獲學(xué)士學(xué)位，2003年畢業(yè)于重慶郵電大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)（方向網(wǎng)絡(luò)管理）并獲工學(xué)碩士學(xué)位，獲南京郵電大學(xué)信息與通信工程通信與信息系統(tǒng)專業(yè)的工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事移動(dòng)性管理技術(shù)、WiMAX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、業(yè)務(wù)流管理技術(shù)的研究，lformat@sina.com；

彭志強(qiáng)（1990-），碩士研究生，湖南衡陽人，2013年畢業(yè)于湖南文理學(xué)院通信工程專業(yè)，現(xiàn)就讀于湘潭大學(xué)電子通信工程專業(yè)，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究，625463960@qq.com；

鐘益群（1989-），碩士研究生，湖南岳陽人，現(xiàn)就讀于湘潭大學(xué)電氣工程專業(yè)，主要從事圖像處理方面的研究，602104459@qq.com。

TP212.9

A

1004-1699（2015）12-1846-07

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61100215）；湘潭大學(xué)項(xiàng)目（kz08051）

2015-06-06修改日期：2015-10-08