一種基于能量和距離的無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由協(xié)議
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無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡。它綜合了傳感器、嵌入式計算、通信、分布式信息處理、計算機技術、微電子制造技術，能實時監(jiān)測、感知和采集所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種信息，并對收集到的信息進行處理后傳送給終端用戶，在軍事、災難現(xiàn)場、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療救護等領域有廣闊的應用前景。傳感器網(wǎng)絡一般投放在條件惡劣的環(huán)境或者難以涉足的地域中，節(jié)點電池的更換或能量的補充幾乎是不可能的，所以節(jié)能路由協(xié)議的設計，對無線傳感器網(wǎng)絡來說意義十分重大。目前，提出的WSN路由協(xié)議主要有平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議兩類，其中基于簇結構的層次路由協(xié)議是當前國內(nèi)外研究的熱點口。
1相關研究
WSN分簇路由協(xié)議設計的首要目標是通過高效的分簇算法形成合理的網(wǎng)絡結構，通過主動的能量管理阻止網(wǎng)絡連通性下降，延長網(wǎng)絡的生命周期。最典型的無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由協(xié)議是LEACH協(xié)議，人們在LEACH協(xié)議的基礎上也研究出很多改進的分簇路由協(xié)議，EECS(Energy Efficient Clustering Scheme)協(xié)議就是其中一種經(jīng)典的改進算法。
1.1LEACH協(xié)議
LEACH是分布式成簇協(xié)議的代表。每個節(jié)點產(chǎn)生一個0～1的隨機數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值，則該節(jié)點向整個網(wǎng)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(jié)點的百分比，即節(jié)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(huán)進行的輪；G是在最近1／p輪中沒有當選過簇頭的節(jié)點集合。可以看出，當選過簇頭的節(jié)點在接下來的1輪中將不能成為簇頭，而其他節(jié)點，因節(jié)點產(chǎn)生小于T(n)隨機數(shù)的概率隨之增大，所以節(jié)點當選為簇頭的概率也增大。競爭成功的簇頭節(jié)點廣播當選的消息后，其他節(jié)點根據(jù)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(xié)議不能保證簇頭在網(wǎng)絡中分布均勻，而且節(jié)點根據(jù)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(xié)議
如前所述，LEACH等算法中，節(jié)點根據(jù)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(jié)點加入哪個簇：
式中：cost(j，i)是節(jié)點Pj加入簇頭i的代價；d(Pj，CHi)是節(jié)點到簇頭的距離。式(3)中f子函數(shù)保證最小化節(jié)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(shù)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(jù)具體應用，在成員節(jié)點能量與簇頭能量消耗之間折衷，目標是最大化網(wǎng)絡生命周期。節(jié)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(xié)議的網(wǎng)絡生命周期較LEACH協(xié)議提高了30％以上。
2問題的描述
EECS算法的實質(zhì)是在簇頭選擇階段，總是讓剩余能量最大的節(jié)點當選為簇頭；在成簇階段，聯(lián)合考慮普通節(jié)點與簇頭的距離，以及簇頭與基站的距離。其創(chuàng)新之處在于：只有小部分節(jié)點參加簇頭的競選；在局部范圍內(nèi)廣播消息，選舉過程沒有迭代；以節(jié)點的剩余能量為競選參數(shù)；設計了簇頭之間負載均衡的策略。
EECS協(xié)議存在的問題：
(1)EECS算法在成簇階段讓候選節(jié)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(jié)點C在B的競選半徑內(nèi)；節(jié)點B在A的競選半徑內(nèi)，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(jié)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(jié)點的早死現(xiàn)象。
針對EECS協(xié)議存在的問題提出了ADEECS(Advanced EECS)協(xié)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。
3 ADEECS路由協(xié)議
方案中，假設已知發(fā)送節(jié)點的發(fā)射功率，接收節(jié)點可以根據(jù)接收信號的強度，計算二者之間距離的近似值；發(fā)射功率可控，即節(jié)點可以根據(jù)自身需要調(diào)整發(fā)射功率。采用與文獻[5]相同的無線傳輸能量消耗模型。ADEECS協(xié)議按輪執(zhí)行，每一輪分為網(wǎng)絡部署，簇頭選舉，成簇，數(shù)據(jù)傳輸這4個階段。
具體實現(xiàn)過程如下：
階段1：網(wǎng)絡部署階段在網(wǎng)絡部署階段，讓基站以一定的功率向網(wǎng)絡內(nèi)廣播一個消息HELLO_MSG。傳感器節(jié)點根據(jù)接收信號的強度計算出自己到基站的近似距離，在與基站通信時，依據(jù)這個距離選擇適當?shù)陌l(fā)射功率。在成簇階段，還將利用這個信息來均衡簇頭的負載。
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