一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法研究

　　在LEACH基礎(chǔ)上，提出一個(gè)基于能量和距離的分簇算法(clustering algorithm based on energy anddistance)。該算法按輪運(yùn)行，每輪分為二層簇頭的建立，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和穩(wěn)定數(shù)據(jù)的傳輸。

　　2.1 二層簇頭的建立

　　在簇建立階段，首輪擔(dān)任簇頭的節(jié)點(diǎn)由基站隨機(jī)確定。簇頭的個(gè)數(shù)根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的位置、大小及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來確定。被選中擔(dān)任簇頭的ID由基站依次在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)逐次收到的ID與自己的進(jìn)行對(duì)比，相同的即為本輪的簇頭。簇頭全部選出以后，再向全網(wǎng)廣播簇頭ID。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在每輪數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詈笠粠?，把剩余能量等信息一起發(fā)送至各自簇頭。簇頭對(duì)各簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行比較，選舉剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)作為下一輪簇頭，這樣建立了第一層簇頭。

　　第二層簇頭的建立和通信模式與LEACH有較大的區(qū)別。每輪選出的第一層簇頭成為第二層簇頭的普通節(jié)點(diǎn)，在LEACH中這些節(jié)點(diǎn)直接與基站通信。由式(1)可以看出，放大器能耗遠(yuǎn)大于電路能耗，且放大器能耗中與通信距離d有直接關(guān)系，因此在產(chǎn)生第二層簇頭時(shí)，充分考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站間距離等因素。產(chǎn)生第二層簇頭的閾值按如下公式計(jì)算：

　　式中：Eresidual(i)標(biāo)識(shí)為i的簇頭的剩余能量；BSdistance(i)標(biāo)識(shí)為i的簇頭與基站之間的距離。每輪在產(chǎn)生完第一層簇頭且簇頭能量高于某一個(gè)值Eth(若節(jié)點(diǎn)低于Eth就認(rèn)為節(jié)點(diǎn)失效)時(shí)，各簇頭比較Tch值，找出其中Tch最大值為第二層簇頭。因此，第二層簇頭既有較高的能量，又距基站較近，這樣既能減少轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的能量，又能保證節(jié)點(diǎn)能量不會(huì)很快耗盡，而影響數(shù)據(jù)的采集。

　　2.2 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

　　每輪第一層簇頭選出來后，節(jié)點(diǎn)依據(jù)收到廣播信號(hào)的強(qiáng)度選擇要加入的簇，此時(shí)簇內(nèi)通信采用自由空間模型。與第一層簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信不同，由于第二層簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離簇頭較遠(yuǎn)，有些可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了d0值，而數(shù)據(jù)通信采用的自由空間模型不一定正確，另外，直接與簇頭通信的能量消耗較大。因此，假設(shè)遠(yuǎn)離簇頭的節(jié)點(diǎn)可與臨近的、能量高于自己的節(jié)點(diǎn)通信，且數(shù)據(jù)經(jīng)過多路轉(zhuǎn)發(fā)直至簇頭，滿足上述假設(shè)條件如式(4)所示：

　　由于每一輪每個(gè)簇頭在簇中的位置以及簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，為便于分析式(4)的最佳臨近節(jié)點(diǎn)，在圖1中列出了某種狀態(tài)下4種典型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式。

　　圖1(a)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)收集的前期階段，由于節(jié)點(diǎn)能量充足，靠近基站的節(jié)點(diǎn)采用直接傳輸方式，而遠(yuǎn)離基站的節(jié)點(diǎn)通過式(4)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；經(jīng)過多輪數(shù)據(jù)采集之后，靠近基站的節(jié)點(diǎn)因過多參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)能量迅速降低，依據(jù)式(4)出現(xiàn)了圖1(b)或圖1(c)；在數(shù)據(jù)收集的后續(xù)階段，由于靠近基站的節(jié)點(diǎn)整體能量下降，它們分別采用單跳的方式直接與基站通信，同時(shí)依據(jù)式(4)出現(xiàn)了圖1(d)。整個(gè)數(shù)據(jù)采集階段遠(yuǎn)離基站的節(jié)點(diǎn)都是通過多跳的方式與臨近節(jié)點(diǎn)通信，說明通過多跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能耗要小于直接發(fā)送到簇首，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)能量較高，保證了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)有足夠的能量，均衡了網(wǎng)絡(luò)的能量。

　　2.3 穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸

　　在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段，普通節(jié)點(diǎn)與第一層簇頭通信方式和LEACH相同，但是數(shù)據(jù)的采集、融合工作完成之后不是將數(shù)據(jù)包直接發(fā)送到基站，而是在給定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送給第一層各自的簇頭。第二層的節(jié)點(diǎn)依據(jù)能量和距離選出下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，直至第二層的簇頭或直接與基站通信，第二層簇頭節(jié)點(diǎn)經(jīng)過二次數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送數(shù)據(jù)至基站。

　　3 算法分析和仿真結(jié)果

　　利用Matlab工具對(duì)LEACH，EBAC和CAED算法進(jìn)行仿真比較，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由300個(gè)相同的節(jié)點(diǎn)組成，隨機(jī)拋撒在200 m×200 m的區(qū)域內(nèi)，遠(yuǎn)程基站的坐標(biāo)是(x==100 m，y=350 m)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量為E0=1 J，發(fā)送和接收電路的損耗為ETX=ERX=50 nJ／b，數(shù)據(jù)融合消耗為EDA=5 nJ／b，εfs=10 pJ／(b?m-2)時(shí)dd0。其中，d0為常數(shù)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為4 200 b，廣播包長(zhǎng)度為60 b，簇頭個(gè)數(shù)kopt=5。節(jié)點(diǎn)能量低于Eth=0.000 1 J時(shí)，認(rèn)為其死亡，假設(shè)數(shù)據(jù)融合率為100%，且在轉(zhuǎn)發(fā)過程中無數(shù)據(jù)包丟失。沒有誤碼率。