改進的分簇路由協議方案ADEECS

　1 引言

　　無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量具有特定功能的傳感器節點通過自組織的無線通信方式，相互傳遞信息，協同地完成特定功能的智能專用網絡。傳感器網絡一般投放在條件惡劣的環境或者難以涉足的地域中，節點電池的更換或能量的補充幾乎是不可能的，所以節能路由協議的設計，對無線傳感器網絡來說意義十分重大。目前，提出的WSN路由協議主要有平面路由協議和層次路由協議兩類，其中基于簇結構的層次路由協議是當前國內外研究的熱點口。

　　1相關研究

　　WSN分簇路由協議設計的首要目標是通過高效的分簇算法形成合理的網絡結構，通過主動的能量管理阻止網絡連通性下降，延長網絡的生命周期。最典型的無線傳感器網絡分簇路由協議是LEACH協議，人們在LEACH協議的基礎上也研究出很多改進的分簇路由協議，EECS(Energy Efficient Clustering Scheme)協議就是其中一種經典的改進算法。

　　1.1LEACH協議

　　LEACH是分布式成簇協議的代表。每個節點產生一個0～1的隨機數，如果這個數小于閾值，則該節點向整個網絡廣播它是簇頭。閾值的計算公式為：

　　式中：p是簇頭占所有節點的百分比，即節點當選為簇頭的初始概率，實際的簇頭概率以p為中心上下浮動;r是目前循環進行的輪;G是在最近1/p輪中沒有當選過簇頭的節點集合。可以看出，當選過簇頭的節點在接下來的1輪中將不能成為簇頭，而其他節點，因節點產生小于T(n)隨機數的概率隨之增大，所以節點當選為簇頭的概率也增大。競爭成功的簇頭節點廣播當選的消息后，其他節點根據簇頭廣播信號的強弱決定加入哪個簇。由于簇頭是隨機挑選的，因此LEACH協議不能保證簇頭在網絡中分布均勻，而且節點根據自身通信代價最小原則選擇加入哪個簇的成簇算法，但不能保證簇的負載均衡。

　　1.2 EECS協議

　　如前所述，LEACH等算法中，節點根據自身通信代價最小原則選擇加入哪個簇，不能保證簇的負載平衡，而且沒有考慮距基站較遠的簇頭能量耗費過快等問題。針對這些問題，EECS提出一個新的通信代價公式(2)來決定節點加入哪個簇：

　　式中：cost(j，i)是節點Pj加入簇頭i的代價;d(Pj，CHi)是節點到簇頭的距離。式(3)中f子函數保證最小化節點與簇頭之間的通信代價;d(CHi，BS)是簇頭i到基站的距離，式(3)中g子函數保證最小化簇頭i到基站的通信代價;權值w的設置則根據具體應用，在成員節點能量與簇頭能量消耗之間折衷，目標是最大化網絡生命周期。節點Pj選擇cost(j，i)最小的簇頭i加入，從而保證每個簇頭負載均衡。實驗結果顯示，EECS協議的網絡生命周期較LEACH協議提高了30%以上。

　　2問題的描述

　　EECS算法的實質是在簇頭選擇階段，總是讓剩余能量最大的節點當選為簇頭;在成簇階段，聯合考慮普通節點與簇頭的距離，以及簇頭與基站的距離。其創新之處在于：只有小部分節點參加簇頭的競選;在局部范圍內廣播消息，選舉過程沒有迭代;以節點的剩余能量為競選參數;設計了簇頭之間負載均衡的策略。

　　EECS協議存在的問題：

　　(1)EECS算法在成簇階段讓候選節點同時廣播競選消息COMPETE_HEAD，容易造成簇頭分布漏洞問題。如圖1所示，節點C在B的競選半徑內;節點B在A的競選半徑內，且剩余能量方面A>B>C。在這種情況下，C收到B的競選消息退出競選的同時，B收到A的競選消息退出競選，這就會造成局部簇頭分布漏洞的情況。

　　(2)EECS算法在成簇階段的通信代價只考慮了普通節點與簇頭的距離，以及簇頭與基站的距離，沒有考慮簇頭的剩余能量。這樣就會造成部分剩余能量相對較少簇頭節點的早死現象。

　　針對EECS協議存在的問題提出了ADEECS(Advanced EECS)協議，該算法在簇頭選舉階段使用了競爭延遲的方法，在成簇階段設計了新的通信代價計算公式。

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