基于簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)交會(huì)路由協(xié)議

楊 旭，王春佳2，李 莉

(1.云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)信息技術(shù)系，昆明 650203;2.云南師范大學(xué) 基礎(chǔ)教育集團(tuán)，昆明 650092)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由大量低成本、低功耗和智能傳感器節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)或多個(gè)sink或基站(BS)組成[1-2]，這些節(jié)點(diǎn)體積小，可以執(zhí)行許多重要功能，包括事件感知、信息處理和數(shù)據(jù)通信[3-4]，WSN已經(jīng)廣泛應(yīng)用與軍事應(yīng)用和民用場(chǎng)景[5-6]，由于易于部署，擴(kuò)展傳輸范圍和自組織等各種優(yōu)點(diǎn)，WSN已經(jīng)取代了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)成本低且能量有限，由于這種能量約束，有效的路由協(xié)議可以使得傳感器節(jié)點(diǎn)感測(cè)環(huán)境并生成有用的數(shù)據(jù)[7]。當(dāng)用戶或sink想要數(shù)據(jù)時(shí)，將查詢發(fā)送到具有相關(guān)數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶或sink。由于這些傳感器節(jié)點(diǎn)具有有限的功率，它們可以容易地耗盡其能量，因此為了增加網(wǎng)絡(luò)壽命并減少延遲，需要從源節(jié)點(diǎn)到sink數(shù)據(jù)的有效路由[8]。隨著WSN技術(shù)的深入，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命和均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗已經(jīng)成為WSN研究的重點(diǎn)。

WSN中的分層路由是一個(gè)非常重要的主題，在過(guò)去十年中一直吸引著研究者，典型的分層路由稱為簇的路由，其中網(wǎng)絡(luò)被分成多個(gè)簇，低功耗自適應(yīng)集簇分層協(xié)議(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH)是一種典型的分層協(xié)議[9]，目前許多協(xié)議都是在LEACH協(xié)議上進(jìn)行改進(jìn)得到的[10]，如文獻(xiàn)[11]中提出的基于非均勻分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議，該協(xié)議以LEACH的分簇思想為基礎(chǔ)，通過(guò)分層機(jī)制及競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制選取簇首，使簇首節(jié)點(diǎn)分布更加合理，有效均衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗。和文獻(xiàn)[12]中基于簇首移動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，該協(xié)議創(chuàng)新點(diǎn)是將簇首設(shè)置為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)一定規(guī)則確定簇首每輪所需移動(dòng)到的最佳位置，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能耗均衡。

最近關(guān)于WSN的研究有一部分為非典型分層路由，包括基于鏈的路由協(xié)議、基于樹(shù)的路由協(xié)議、基于網(wǎng)格的路由協(xié)議和基于區(qū)域的路由協(xié)議[13]?；趨^(qū)域的拓?fù)涫且环N最新結(jié)構(gòu)，其中一些傳感器節(jié)點(diǎn)在特定區(qū)域中指定并充當(dāng)高層節(jié)點(diǎn)。高層節(jié)點(diǎn)執(zhí)行從普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集和到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，可以根據(jù)負(fù)載平衡要求調(diào)整區(qū)域的大小[14]。在基于區(qū)域的路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)在不同區(qū)域之間劃分，傳感器節(jié)點(diǎn)是由他們所屬的地區(qū)確定。LBDD是一種典型的基于區(qū)域的路由協(xié)議[15]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通信方式也很簡(jiǎn)單，但是這種拓?fù)浜苋菀讓?dǎo)致能量消耗不平衡，此外，在大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，線路或條帶上的泛濫將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的大量能量消耗。與LBDD不同，Railroad協(xié)議和ring由協(xié)議[16]首先從會(huì)合區(qū)域獲取sink的位置信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink，但是兩種路由協(xié)議在大型網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)致過(guò)多的開(kāi)銷(xiāo)，而預(yù)期數(shù)據(jù)傳輸延遲高于LBDD。

為了解決現(xiàn)有基于區(qū)域路由協(xié)議中能量不均衡、網(wǎng)絡(luò)壽命問(wèn)題，本文提出一種基于簇的交會(huì)路由協(xié)議CRRP。在該協(xié)議中，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干交會(huì)區(qū)域，并且根據(jù)所駐留的區(qū)域?qū)?jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。在本文中，簇在分區(qū)區(qū)域內(nèi)構(gòu)建，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)程度進(jìn)行簇頭選擇，簇頭具有sink位置的信息，只要sink的位置發(fā)生變化，sink就會(huì)通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將其更新的信息發(fā)送到最近的簇頭。為了找到sink的位置，常規(guī)節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求消息發(fā)送到其最近的骨干節(jié)點(diǎn)，并且該骨干節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求發(fā)送到簇頭。通過(guò)這種方式，常規(guī)節(jié)點(diǎn)了解了sink的位置，然后直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink，當(dāng)簇頭開(kāi)始耗盡其能量時(shí)，重新進(jìn)行新簇形成。本文協(xié)議會(huì)合區(qū)域劃分整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域并在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，可以增加網(wǎng)絡(luò)壽命。

1 CRRP協(xié)議

在所提路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)由若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是靜態(tài)的。網(wǎng)絡(luò)由交叉區(qū)域劃分，并在其中構(gòu)建簇，sink將其更新的位置信息發(fā)送到交叉區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，并且源節(jié)點(diǎn)從它們獲取sink的當(dāng)前位置并將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink。

如圖1所示，在網(wǎng)絡(luò)中間構(gòu)造一些水平和垂直寬度的虛擬區(qū)域，其中心位于任意位置(u,v)。該虛擬結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)劃分為四個(gè)部分：1)水平左hl;2)水平右hr;3)垂直向上vu;4)垂直底部vb。這個(gè)交叉區(qū)域充當(dāng)交會(huì)區(qū)域，位于該會(huì)合區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)被稱為骨干節(jié)點(diǎn)。在該交叉區(qū)域中，基于節(jié)點(diǎn)和最大公共鄰接節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)造簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭組成。這些簇頭負(fù)責(zé)將sink的位置發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)sink的當(dāng)前位置更新sink位置。該協(xié)議包括發(fā)現(xiàn)鄰居、形成交叉區(qū)域、簇的形成和簇頭創(chuàng)建，發(fā)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域和最終數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 交會(huì)區(qū)域和骨干節(jié)點(diǎn)的初始視圖

首先對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行假設(shè)：

1)部署后，所有傳感器節(jié)點(diǎn)都是靜止的。

2)Sink將改變其位置，即sink是移動(dòng)的。

3)對(duì)于sink的計(jì)算能力，電池消耗和存儲(chǔ)器沒(méi)有限制。

4)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限。

5)所有傳感器節(jié)點(diǎn)均勻。

6)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的ID。

7)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诖匦纬蓵r(shí)不受影響。

本文協(xié)議的整體流程見(jiàn)圖2所示。

圖2 本文協(xié)議流程圖

1.1 鄰居發(fā)現(xiàn)和交會(huì)區(qū)域形成

在鄰居發(fā)現(xiàn)的第一階段，起始節(jié)點(diǎn)廣播鄰居發(fā)現(xiàn)(NBR_D)控制包，包含節(jié)點(diǎn)的ID，節(jié)點(diǎn)位置及其剩余能量水平。在接收到該包時(shí)，該節(jié)點(diǎn)鄰居表包含發(fā)送方節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)ID，其位置和剩余能量。如果表中已經(jīng)存在發(fā)送方節(jié)點(diǎn)的條目，則接收方丟棄該包；如果先前沒(méi)有廣播，sink也廣播相同的包。在此階段結(jié)束時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都具有關(guān)于其一跳鄰居的信息。

算法1：鄰居發(fā)現(xiàn)。

Nb(x)任何節(jié)點(diǎn)x的鄰居集合，初始化為φ

Nbtable(x)：由節(jié)點(diǎn)x維持的鄰居表初始化為φ

Erx：節(jié)點(diǎn)x的能量

NBR_Dx：如果傳感器節(jié)點(diǎn)x發(fā)送數(shù)據(jù)包，則節(jié)點(diǎn)x的鄰居發(fā)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)包設(shè)置為真，初始化為false

Locx：節(jié)點(diǎn)x的位置

NBR_D:if (idy?Nb(x)) then

Nb(x)=Nb(x)∪y；

用更新Nbtable(x)

if(NBR_Dx==false)then

NBR_Dx←true

1_rb(NBR_Dx,idx,Erx,Locx)；

?廣播NBR_D包

else 丟棄包

endif

else丟棄包

endif

對(duì)于交會(huì)區(qū)域的生成與構(gòu)建，將其視為(Xmax,Ymax)，并將區(qū)域的寬度視為w。因此wx和wy可以確定條帶的水平和垂直范圍。

(1)

(2)

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)現(xiàn)

傳感器節(jié)點(diǎn)使用它們的位置信息坐標(biāo)(x,y)來(lái)確定它們所屬的區(qū)域。例如，駐留在第一分區(qū)和第八分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)將從hr與目的地(x,v)通信。以相同的方式，第二和第三分區(qū)的傳感器節(jié)點(diǎn)可以從vu與目的地(u,y)等進(jìn)行通信，其中(u,v)是網(wǎng)絡(luò)的中心。

算法2：節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)現(xiàn)。

θ=0,α=0

(u,v)：網(wǎng)絡(luò)的中心

(x,y)：節(jié)點(diǎn)的位置

令π=180°;C←(u,v)

?C定義了網(wǎng)絡(luò)的中心。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)x與位置的新坐標(biāo)(x-u,y-u)和(x,y)

(A,B)←(x-u,y-u)

if (A>0&&B>0)thenα←θ

具有位置(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第1區(qū)域，可以從hr與目標(biāo)位置進(jìn)行通信(x,v)。

具有位置(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第2區(qū)域，可以從vu與目標(biāo)通信位置(u,y)。

end if

end if

if (A<0&&B>0) thenα←π-θ

具有位置(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第3區(qū)域，可以從vu與目標(biāo)位置通信(u,y)。

位置為(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第4區(qū)域，可以從hl節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)位置通信(x,v)。

end if

end if

if (A<0&&B<0) thenα←π+θ

位置為(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第5區(qū)域，可以從hl節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)位置通信(x,v)。

位置為(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第6區(qū)域，可以通過(guò)vb與目標(biāo)通信位置(u,y)。

end if

end if

if (A>0&&B<0) thenα←2π-θ

位置為(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第7區(qū)域，可以通過(guò)vb與目標(biāo)位置進(jìn)行通信(u,y)。

位置為(x,y)的節(jié)點(diǎn)屬于第8區(qū)域，可以從hr與目標(biāo)位置進(jìn)行通信(x,v)。

end if

end if

1.3 簇的生成

通過(guò)以下步驟在集合區(qū)內(nèi)建立簇：

1) 簇形成機(jī)制由具有最高節(jié)點(diǎn)度的節(jié)點(diǎn)i發(fā)起；

2)在初始節(jié)點(diǎn)的單跳鄰居中，找出節(jié)點(diǎn)p，具有最大的公共鄰接。如果有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，則考慮ID最低的節(jié)點(diǎn)；

3)節(jié)點(diǎn)i和p的一個(gè)跳鄰居中常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)屬于包括i和p的一個(gè)簇，節(jié)點(diǎn)i將被視為簇頭(CH)；

4)具有最節(jié)點(diǎn)度的剩余節(jié)點(diǎn)i(發(fā)起節(jié)點(diǎn))的一跳鄰居為簇的形成開(kāi)始相同的進(jìn)程，并聲明自己為CH。

簇生成偽代碼見(jiàn)算法3。

算法3:簇的生成：

N：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的總數(shù)

(Vi,Ei)：節(jié)點(diǎn)i的連通矩陣

?Vi包含節(jié)點(diǎn)i和它的單跳鄰中

?Ei包含Vi中節(jié)點(diǎn)之間的雙向邊

i：發(fā)起節(jié)點(diǎn)

S(i)：節(jié)點(diǎn)i的鄰居集

L(i)：L(i)包含節(jié)點(diǎn)i的一個(gè)跳過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)

C(i)：簇中元素集合，最初為空

N_C(i)：不在簇中的節(jié)點(diǎn)集

i=maxargjdegree(Nj) ?j是任意節(jié)點(diǎn)

S(i)={j,(i,j)∈Ei},C(i)={i}While (L(i)≠φ)

發(fā)現(xiàn)p∈L(i)與最大|l(i)∩l(p)|

C(i)←[Ci∪{p}∪{j,{j,p}}∈Ei]

N_Ci←[Vi?Ci]

Endwhile

i=maxargidegree(N_Ci)

CH←i

對(duì)節(jié)點(diǎn)i重復(fù)步驟2

簇形成過(guò)程如圖3所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)1具有最大的節(jié)點(diǎn)度，因此啟動(dòng)了簇的形成過(guò)程。節(jié)點(diǎn)(2, 3, 4, 5, 6)是相鄰的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)算法3，節(jié)點(diǎn)3應(yīng)該是節(jié)點(diǎn)p，因?yàn)樗c節(jié)點(diǎn)1的公共鄰域最大。所以節(jié)點(diǎn)(1, 2, 3, 4, 5)必須在一個(gè)簇中，節(jié)點(diǎn)1應(yīng)該是CH。

圖3 簇形成技術(shù)

在本文協(xié)議中，簇頭重選與新的簇形成一起發(fā)生，步驟為：

1)當(dāng)任何簇頭節(jié)點(diǎn)i開(kāi)始耗盡其能量時(shí)，按照算法1得到簇內(nèi)具有最大公共鄰接的節(jié)點(diǎn)；

2)節(jié)點(diǎn)將聲明為新的簇頭，并按照算法3生成新的簇。

1.4 移動(dòng)sink管理

在協(xié)議匯聚節(jié)點(diǎn)的這個(gè)階段，節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將其位置通知給簇頭節(jié)點(diǎn)，集合點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的所有簇頭都有關(guān)于sink位置的信息。當(dāng)sink移動(dòng)時(shí)，將Beacon包廣播到其鄰居之后，sink選擇其鄰居之一將其位置信息中繼到集合區(qū)域內(nèi)最近的簇頭之一。sink借助傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)現(xiàn)機(jī)制或借助位置因子(LF)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

令節(jié)點(diǎn)i想要從鄰居節(jié)點(diǎn)Nb(i)中選擇其中一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，Eri是其剩余能量，LF(i)定義節(jié)點(diǎn)i的每個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的位置因子。具有坐標(biāo)(xk,yk)的k∈Nb(i)具有殘余能量Erk，并且節(jié)點(diǎn)k距離目的地的Eucledian距離是Dk。

(3)

那么kth鄰居的LF(k)可以計(jì)算為:

(4)

(5)

next_nodei=max(LF(i))

(6)

其中:next_nodei是由節(jié)點(diǎn)i選擇的相鄰節(jié)點(diǎn)。

算法4:移動(dòng)sink管理：

Loc_sinkx：任何節(jié)點(diǎn)x都存儲(chǔ)sink位置信息

B_x：如果任何標(biāo)記為主干節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)x為真，初始化為false

sink_loc：sink的位置

Beacon：l_rf(BeaconReply,idx,Erx,idsink)；

?將BeaconReply包單播到sink

使用主干節(jié)點(diǎn)作為算法2中的骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置sink，匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)位置使用位置因子將包發(fā)送到節(jié)點(diǎn)z；

l_rf(Location,idsink,sink_loc,next_nodez)；

?位置包被單排到選定位置節(jié)點(diǎn)z。

節(jié)點(diǎn)y或sink向節(jié)點(diǎn)x發(fā)送以下數(shù)據(jù)包。

Lacation：

if (idx==next_nodey)then

if (Loc_sinkx≠sink_loc) then

Loc_sinkx←sink_loc

if (B_x==true) then

x將sink信息發(fā)送給它的CH。

else 選擇距離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)z。

endif

else

丟棄包；

end if

else

丟棄包；

end if

一旦到達(dá)骨干節(jié)點(diǎn)的sink位置信息，就發(fā)送到其簇頭，然后該簇頭以相同的方式將其發(fā)送到其相鄰的簇頭，現(xiàn)在所有簇頭具有關(guān)于sink的新位置的信息。

1.5 sink位置恢復(fù)

Sink的位置信息在簇頭的幫助下到達(dá)常規(guī)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)常規(guī)節(jié)點(diǎn)想要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它應(yīng)該知道從集合區(qū)域內(nèi)的簇頭獲得新sink的位置。它通過(guò)使用位置因子選擇相鄰節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)送Locreq的包，并且該相鄰節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求包轉(zhuǎn)發(fā)到其最近的骨干節(jié)點(diǎn)。 一旦到達(dá)骨干節(jié)點(diǎn)，骨干節(jié)點(diǎn)就會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)到其簇頭，簇頭已經(jīng)有了新的sink的位置信息，因此簇頭將sink位置信息轉(zhuǎn)發(fā)到常規(guī)傳感器節(jié)點(diǎn)，如算法5所示。

算法5:sink位置恢復(fù)。

CH：具有sink位置

CHid：簇頭的id

Bx：如果任何節(jié)點(diǎn)是骨干節(jié)點(diǎn)，則為真

sink_Loc：Sink的位置

next_nodex：任何下一個(gè)節(jié)點(diǎn)都由任何節(jié)點(diǎn)x選擇轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包

reversex：簇頭x選擇節(jié)點(diǎn)將sink的位置發(fā)送到請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)

Locreq節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)y∈Nbr(x)接收數(shù)據(jù)包

Locreq:if (idx==next_nodey) then

reversex←idy；

if (Bx==true)

Bx將Locreq轉(zhuǎn)發(fā)給它的CH。

lr(Locreply,CHid,sink_locreversex)；

?響應(yīng)請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)。

else

?節(jié)點(diǎn)x使用位置因子選擇next_nodex

lr(Locreq,idx,next_nodex)；

endif

else

丟棄包

endif

最后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在從骨干節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)獲得有關(guān)sink位置的信息之后，借助于相鄰節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到sink。傳感器節(jié)點(diǎn)借助于位置因子，基于剩余能量和距離sink的最小距離來(lái)選擇相鄰節(jié)點(diǎn)。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)使用相同的技術(shù)將其轉(zhuǎn)發(fā)到其鄰居，重復(fù)相同的過(guò)程直到數(shù)據(jù)到達(dá)sink。

2 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文CRRP協(xié)議有效性，將本文算法與現(xiàn)有其他算法進(jìn)行比較，仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境為MATLAB R2013b，基于表1中所示的參數(shù)來(lái)執(zhí)行仿真實(shí)驗(yàn)。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制包以構(gòu)建會(huì)聚區(qū)域并管理匯聚移動(dòng)性，圖4中給出了不同協(xié)議的具有不同sink速度的控制包的平均能耗。將本文協(xié)議與現(xiàn)有其他協(xié)議進(jìn)行比較，包括Rendezvous路由協(xié)議[17]，LBDD路由協(xié)議，Railroad路由協(xié)議和Ring路由協(xié)議。

圖4 控制數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)

如圖所示，與其他協(xié)議相比，本文協(xié)議的控制包開(kāi)銷(xiāo)非常少，少于其他協(xié)議，這是因?yàn)楸疚膮f(xié)議中，會(huì)合區(qū)域與源或sink之間的平均距離小于其他協(xié)議，且在本文協(xié)議中只有部分高層節(jié)點(diǎn)(即簇頭)參與到發(fā)送sink位置到源節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)中，而源節(jié)點(diǎn)通過(guò)建立有效的路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink，這種方法將有助于降低能耗。而在LBDD中，內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)該內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)收到查詢時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink，這會(huì)導(dǎo)致控制數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)增加。在RailRoad路由協(xié)議中，站點(diǎn)處的元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程和從站點(diǎn)檢索sink位置的過(guò)程需要控制包交換。在Ring路由協(xié)議中，所有環(huán)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)sink的位置，隨著網(wǎng)絡(luò)操作的進(jìn)行，它需要交換控制包來(lái)修復(fù)環(huán)，因此環(huán)長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致更多的能量消耗。Rendezvous路由協(xié)議在交會(huì)區(qū)域內(nèi)保持樹(shù)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，控制包需要根據(jù)sink位置來(lái)設(shè)置鏈路。隨著速度的增加，導(dǎo)致控制數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)增加。各種協(xié)議的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總能量消耗如圖5所示。

圖5 平均能耗

可以觀察到，由于更大的控制包開(kāi)銷(xiāo)，LBDD的能量消耗最高，其存儲(chǔ)來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并在會(huì)合區(qū)域中淹沒(méi)sink的查詢，隨著sink速度的增加，LBDD的能量消耗近似線性增長(zhǎng)。Rendezvous協(xié)議不需要sink位置，但是平均路徑長(zhǎng)度高于RailRoad協(xié)議，Ring路由協(xié)議總能量根據(jù)sink速度而增加。本文協(xié)議中，源和sink之間的平均距離幾乎與RailRoad和Ring路由協(xié)議相同，由于較少的控制包開(kāi)銷(xiāo)，使得本文所提協(xié)議能耗少于現(xiàn)有其他協(xié)議。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的不平衡負(fù)載影響網(wǎng)絡(luò)壽命，在圖6中給出了不同協(xié)議之間的網(wǎng)絡(luò)壽命性能，可以看出本文協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命大于其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命，原因是本文協(xié)議消耗更少的控制包，平衡傳感器節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載，并遵循用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖酚伞?/p>

圖6 網(wǎng)絡(luò)壽命

3 結(jié)論

在本文中，提出了一種基于簇的會(huì)合路由協(xié)議CRRP，其中在會(huì)合區(qū)域內(nèi)構(gòu)建簇以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性并維持網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)想要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絪ink時(shí)，從該會(huì)合區(qū)域獲取sink的位置信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink。所有骨干節(jié)點(diǎn)都不參與sink位置檢測(cè)，只有簇頭參與到發(fā)送sink位置到源節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)中，能夠使得WSN降低能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。將本文協(xié)議與現(xiàn)有LBDD協(xié)議、Ring Routing協(xié)議、RailRoad和Rendezvous協(xié)議進(jìn)行比較，仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文協(xié)議在能耗和網(wǎng)絡(luò)壽命性能方面優(yōu)于其他現(xiàn)有協(xié)議，表明本文方法的可行性與有效性。