基于區(qū)域劃分的WSNs雙簇頭路由協(xié)議

鄭文軍

摘要：在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)出現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種基于區(qū)域劃分的雙簇頭路由協(xié)議RDCH。首先，該協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離劃分區(qū)域，減少節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)的能量損耗。其次，在每個(gè)簇群內(nèi)選舉主副雙簇頭，解決了單個(gè)簇頭負(fù)載過(guò)重問(wèn)題。仿真結(jié)果也表明，RDCH協(xié)議能夠均衡節(jié)點(diǎn)負(fù)載。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); 雙簇頭; 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（2019）18-0045-02

Abstract：In WSNs， cluster head nodes may be overloaded. In order to solve this problem， a dual cluster head routing protocol RDCH based on region partitioning is proposed. First， the protocol divides the area according to the distance between the node and the base station， reducing the energy loss when the node transmits. Secondly， the primary and secondary cluster heads are elected in each cluster， which solves the problem of excessive load on a single cluster head. The simulation results also show that the RDCH protocol can balance the node load.

Key words： wireless sensor network; dual cluster head; routing protocol

1 引言

在WSNs中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)一般部署的環(huán)境比較惡劣，難以二次回收且傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，那么如何有效提高節(jié)點(diǎn)的能量利用率是我們研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。在文獻(xiàn)[1]中就提出了一種層次型路由協(xié)議LEACH，通過(guò)成簇的方式來(lái)采集與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。但是LEACH協(xié)議在簇頭選擇時(shí)沒(méi)有考慮簇頭的能量，會(huì)使得能量較低的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭，加快了簇頭的死亡速度。

本文針對(duì)LEACH的不足之處提出了RDCH路由協(xié)議。通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中尋找主副簇頭分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集與轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量來(lái)選擇主簇頭，根據(jù)剩余能量和距離基站的距離來(lái)選擇副簇頭。主簇頭和副簇頭相互協(xié)作，能夠有效緩解簇頭負(fù)載，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

2 系統(tǒng)模型

假設(shè)將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在一個(gè)半徑為[R=120m]的圓形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)靜態(tài)基站且位于圓心處，用于接收和處理源節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。本文采用與文獻(xiàn)[2]相同的能耗模型。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向相距為d的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送l bit （一般l=4000bit）數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)線電消耗的能量定義為：

其中[Eelec]表示發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電路所消耗的能量，[Eelec=50nJ/bit]，[εfs]和[εmp]為信號(hào)放大功率，[εfs=10pJ/bit/m2]，[εmp=0.0013pJ/bit/m4]。通信閾值[d0=87.7m]，當(dāng)[d

3 RDCH方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)劃分階段

為了均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離基站的距離，網(wǎng)絡(luò)被均勻地劃分成若干個(gè)同心圓環(huán)。同心圓的半徑與各層環(huán)之間的間距w的關(guān)系為：[ri=i×w]，其中i表示由內(nèi)向外的第i個(gè)同心圓。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被劃分成[Rw]個(gè)同心圓。根據(jù)能耗模型可知，在網(wǎng)絡(luò)劃分的時(shí)候，為了降低能耗，相鄰兩層環(huán)之間的最大間距應(yīng)小于[d0]，即[2w

3.2 雙簇頭選擇階段

首先，在選擇主簇頭時(shí)需要保證所選簇頭剩余能量較大。每一輪將競(jìng)爭(zhēng)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按剩余能量大小進(jìn)行排序，選擇剩余能量最大的作為主簇頭。其次，在選擇副簇頭時(shí)，應(yīng)該考慮到副簇頭的剩余能量以及副簇頭距離主簇頭以及基站之間的距離。本文根據(jù)這兩個(gè)影響因素設(shè)計(jì)副簇頭的代價(jià)函數(shù)如下：

其中：[dchj，CHi]表示副簇頭與主簇頭之間的距離，[chj，BS]表示副簇頭與基站之間的距離，[E（chj）]表示副簇頭的剩余能量。[α、β、γ]是各個(gè)因素所占的權(quán)重比例。

3.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段

由于部分節(jié)點(diǎn)距離基站較遠(yuǎn)，故本文采用多跳的方式來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。簇群形成之后，外層環(huán)內(nèi)非簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給所在簇群的主簇頭節(jié)點(diǎn)，主簇頭將接收到的數(shù)據(jù)融合后轉(zhuǎn)發(fā)給所在簇群內(nèi)的副簇頭 ，副簇頭再將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給內(nèi)層環(huán)內(nèi)的下一跳副簇頭節(jié)點(diǎn)，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。整個(gè)過(guò)程中，主簇頭只負(fù)責(zé)接收簇內(nèi)簇頭普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給副簇頭，副簇頭與副簇頭通信，負(fù)載簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

4 仿真及結(jié)果分析

在本節(jié)中，通過(guò)MATLAB對(duì)RDCH和LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真，以網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)剩余數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)總剩余能量為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量算法的性能。為了方便仿真，假設(shè)有18個(gè)初始能量[E0=1J]的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在面積為[πR26]的圓形監(jiān)測(cè)區(qū)域中。

如圖所示，與LEACH協(xié)議相比，應(yīng)用本文提出的RDCH算法時(shí)，隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量更多，第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間也更晚，且在2200輪左右時(shí)，大量節(jié)點(diǎn)同時(shí)死亡，這說(shuō)明RDCH算法能夠有效地均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量。

5 結(jié)論

本文通過(guò)將區(qū)域劃分和雙簇頭相結(jié)合的方法來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)簇頭負(fù)載過(guò)重而提前死亡的問(wèn)題。首先劃分網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，約束通信距離，減少了簇間傳輸時(shí)能量損耗。其次，在中間各層采用雙簇頭方法：主簇頭負(fù)載簇間數(shù)據(jù)的收集，副簇頭負(fù)載簇間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，EDCH能夠均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)載，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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