無線傳感網絡分布控制匯聚協作節能算法

2.3.2 簇間協作路由建立策略

為適應規模較大的網絡的需要，CHMA算法根據節點的距離和能量信息建立網絡數據轉發路由，采用簇間協作多跳的方式將數據傳送給匯聚節點：

1）每個簇首節點Chi對其鄰居簇首進行信息收集，信息的收集方式如圖4所示。為了確保簇首節點能獲取到鄰居簇首的信息，簇首節點以發射距離為1.4倍簇半徑（1.4Ri2ch）的功率廣播公告消息ADV，該消息包含節點的標識ID、剩余能量Ere(i)和其到匯聚節點的距離di2sink。鄰居簇首Ch接收到此消息后，根據接收信號的強度計算它們之間的距離di_t并對鄰居節點的信息進行保存。

圖4 簇首信息獲取示意圖

2）根據表中的鄰居簇首信息，每個簇首節點Chi從它的鄰居簇首的集合N i中選擇一個合適的簇首作為其數據轉發的下一跳。下一跳Nexti的協作選擇觸發策略為：

   （13）

其中，

cost為轉發代價，

，

α>0，β>0為權重因子，且α+β=1，d表示距離，

   ，

      。

可知，當簇首到點到Sink節點的距離小于簇半徑時，簇首直接將數據傳送給匯聚節點；否則選擇一個離自身和匯聚節點都比較近且通信代價最少的簇首節點作為下一跳。代價考慮了通信能耗和鄰居簇首的剩余能量2個因素，以便平衡網絡節點的能量消耗和延長網絡的生存時間。

節點開始進入數據采集階段后。成員節點根據TDMA工作時隙的分配來調整自身的工作狀態，當相應的TDMA工作時隙沒有到來時，節點調整自身的狀態為休眠；當被時鐘喚醒時，才進行環境監測和數據的采集，并將數據以最小的功率發送給簇首節點，簇首對數據進行融合壓縮處理，再通過協作多簇網絡路由進行數據的發送。

3 分析與仿真

忽略無線鏈路中可能的數據碰撞沖突和丟包錯誤，對CMH算法中傳感器節點的數據發送、接收和融合處理的能量消耗進行仿真，將CMH算法的能量利用效率和網絡生存周期同LEACH進行了對比。

仿真場景設置為450個傳感器節點部署在半徑為250 m的圓內，整個網絡劃分為5個同心圓環，內層圓環的節點分布密度逐漸大于相鄰的外層圓環，主要參數如表1所示。每個仿真進行10次，最終結果取均值。

表1 網絡仿真參數

根據前節分析和計算，由圓環中的節點數，單位周期內每層圓環的能耗相等，確定每層圓環的面積Si。最內層圓中的節點分布密度最大，從內向外層依次遞減由于內層的圓（環）需要承擔外層圓環的數據轉發任務，所以這樣的分布是合理的。

為了評估CMH協議對網絡能量的均衡性和節能作用到底如何，從節點的能量消耗和節點剩余能量的標準差等方面進行了仿真對比，并對不同的網絡運行時期節點剩余能量的標準差進行了統計分析，其值越小，說明能量均衡程度越好。

網絡運行過程中總能量消耗趨勢如圖5，在相應的運行輪次中，CMHA的總能量消耗遠小于LEACH的能量消耗，這是因為LEACH中簇首采用單跳的通信方式將數據傳送至Sink節點，遠距離傳輸導致了能量的消耗較大。CHMA協議采用簇首間的多跳傳輸，這就減少了傳輸階段的能耗，加之該算法引入了休眠機制，使協議能量消耗更小。

圖5 在不同的運行輪中總能量消耗趨勢

在不同的運行輪次中，網絡節點的生存節點數如圖6，LEACH協議在運行到82輪左右出現第1個節點死亡，而CHMA協議在191輪才出現第1個節點的死亡，較LEACH協議推遲了138.8%。這一方面是LEACH在傳輸階段的能量消耗比較大，且節點間的能耗不均衡所引起；另一方面是CHMA協議更能很好地實現節能和平衡網絡中節點的能耗。

圖6  在不同輪次中網絡存活的節點數

圖7 CHMA算法在網絡運行過程中，節點的能量平衡的很好，只是在網絡運行剛開始的時候，由于只有一部分的節點作為簇首，能耗比較大，所以此時節點剩余能量有很大波動，當越來越多的節點成為簇首，也就是隨著運行輪數的增加，能量的標準差值趨于穩定。而LEACH協議在運行過程中，區域外圍簇首節點需要直接和匯聚節點進行通信，所以該類節點的能量消耗會比較快。所以它的剩余能量標準差會很大，這也說明了通過中繼轉發和節點非均勻的部署可以有效均衡網絡的能量。

圖7 運行過程中剩余能量的標準差

4   結束語

無線傳感網絡中能耗不均衡的根本在于每個環之間數據轉發的關系，靠近Sink節點的區域具有較大密度的數據傳輸流，只有設計較好的分流策略才能從本質上解決“能量空洞”問題。通過節點預控非均勻的分布及簇間協作多跳的策略把采集的數據傳送到匯聚節點可有效均衡網絡能耗和延長網絡生存周期。仿真表明，該機制在節省能耗和均衡網絡能量方面都具有較好的性能。

參考文獻：(英文版已被全部刪除)

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