一种改进的WSN非均匀分簇路由协议

２ ３ 算 法分析 ．
２ Ｌ ＵＣ 协议 描 述 Ｅ
以均衡全 网能耗 ， 长 网络生存周 期为 目标 ， 延 基站 将监 测 区域 以其 为 中心 划分 为 大小 不 等 的圆环 ， 离 远 基站 的圆环半 径较大 ， 近基 站的 圆环 半径较 小 ， 用 靠 采
Ｌ ＵLeabharlann Baidu在簇 首选 择与 成簇 时依据 节点 剩余 能量与 Ｅ
无 线 传 感 器 网 络 的能 量 消 耗 主要 来 源 于 通信 ， 本
文采 用 Ｌ ＥＡＣ 协议 的无 线通 信模 型 ， 体 如下 ： Ｈ 具
员 数 以 降低簇 内处 理 的能 耗 ， 省能 量用 于 转发 数 据 。 节
但是 ＵＣ Ｓ协议 的 网络 模 型 比较 特 殊 ， 实 际 情 况 中 ， 在 基 站一 般远 离 监 测 区域 ， 同时 该 协议 没有 考 虑 到 簇 首
一
种 改 进 的 ＷＳ 非 均 匀 分 簇 路 由协 议 Ｎ
其 中， 五为发送 数 据 量 ， Ｅ 为收 发 电路 的基 本功 耗 系 数 ， 为 功率 放大 电路 的功耗 系数 ， ｄ为 通 信距 离， 若 ＜ 一 ， 采 用 自由空 间模 型 ， ｄ 则 若 ＞ｄ ， 。则采
节 点 Ｉ 到基 站 距 离 椰 ， Ｄ， 剩余 能量
中 图 分 类 号 ：ＴＰ ９ ． ４ ３ ３ ０ 文 献 标 识 码 ：Ａ
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ Ａｉ ｎ ｔ ｔ ｅ “ ｏ ｐ ｔ ｒ ｂ ｅ ｉ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒ ｎ ｔ ｒ ｓ ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ｐ ｏ ｏ ｅ ｅ ｌ ｗ ｎ ｒ ｙ ａ ｄ ｕ ｅ ｅ ｍｉ ｇ ａ ｈ ｈ ｔｓ ｏ ”ｐ ｏ ｌｍ ｎ ｗｉｅｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｅ ｗｏ ｋ ， ｈ ａ ｅ ｒ ｐ ｓ ｓ ａ ｎ ｗ ｏ ｅ ｅ ｇ ｎ ｎ ｖ ｎ ｃ ｕ ｔ ｒ ｂ ｓ ｄ ｒ ｕ ｉ ｇ ｐ ｏ ｏ ｏ ． ｎ ｔ ｅ ｐ ｏ ｏ ｏ ，ｉ ｃ ｍｂ ｎ ｓ ｄ ｓ ｒｂ ｔ ｄ ａ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｔ ｏ ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｌ ｓ ｎ ｒ ｙ ｏ ｏ ｅ ｌｓｅ — ａ ｅ ｏ ｔ ｒ ｔ ｃ １Ｉ ｈ ｒ ｔｃ ｌ ｔ ｏ ｎ ｉ ｅ ｉ ｔ ｉ ｕ ｅ ｎ ｅ ｔ ａ ｉ ｄ ｍｅ ｈ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ａ ｔｅ ｅ ｇ ｆｎ ｄ ｚ ａ ｄ ｔ ｅｒ ｌ ｔ ｅｔ ｉｃｅ ｃ ｎ ｅ ｌ ｅ ｔ ｅ ｅ ｔｃｕ ｔ ｒｈ ａ ｎ ｈ ｅ ａ ｉ Ｏ ｃｒ ｌ ｅ ｔ ｒｉ Ｏ ｓ ｌ ｃ ｌ ｓ ｅ ｅ ｄ，ｉ ｃ ｏ ｄ ｎ ｅ ｗｉ ｈ ａ ｔｅ ｅ ｇ ｆｃｕ ｔ ｒ ｈ ａ ｎ ｈ ｉ ｎ ｌｐ ｗｅ ｏ ｖ ｎ ｎ ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｔ ｔ ｅ ｌ ｓ ｎ ｒ ｙ ｏ ｌ ｓ ｅ ｅ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｓｇ ａ ｏ ｒｔ ｈ ｆ ｒ ｃ ｕ ｔ ｒ ｎ ｃ ｏ ｄ ｎ Ｏ ｔ ｅｓｚ ｆｃ ｕ ｔ ｒｔ ｓ ｎ — ｏ ｒ ｍｕ ｔ－ ｏ Ｏ ｔ ａ ｓ ｔｄ ｔ ，ｆ ｒ ｔ ｅ ｍｕ ｔ－ ｏ ｙ ａ ｃ ｒ ｕ ｉ ｇ ｏ ｍ ｌ ｓ ｅ ；ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｉｅ ｏ ｌ ｓ ｅ ｏ ｕ ｅ ｏ ｅ ｈ ｐ ｏ ｌ ｈ ｐ ｔ ｒ ｎ ｍｉ ａ ａ ｏ ｍ ｈ ｌ ｈ ｐ ｄ ｎ ｍｉ ｏ ｔ ｉ ｉ ｎ
率 ， 路 对 称 ， 已 知对 方 发 射 功 率 的情 况 下 ， 点 可 链 在 节 根据 信 号强度 计 算 出发送 者 到 自己的 近似距 离 ［ 。 ７ ］
圆环 ， 内圆环 的簇 首 由于距 基站 近 ， 在传 输簇 内数据 的
同 时需 要 承 担数 据 转发 的任 务 ， 因此 减少 它 的簇 内成
ｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ｎ ｏ ｏ ｅ ｎ ｒ ｌ ｎ ｅ ｗｏ ｋ ｌ ｅ ｉ ． ｎ ｒ ｙｃ ｎ ｕ ｔ ｆｎ ｄ ｓ ａ ｄ ｐ ｏ ｏ ｇ ｎ ｔ ｒ ｉ ｔｍｅ ｏ ｆ
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跳 方式 。但 是 Ｅ ＵＣ 随机选 择簇 首 ， 有 考虑 节 点 的 Ｅ 没 能量 和位 置 ， 在候 选簇 首竞 争簇 首 时 ， 要进 行两 次消 需 息广 播 ， 耗费 了节 点 能量 ， 簇首 问传输 数 据时 的路 由可
能导致 某 些 中继 节 点较 快死 亡 。ＵＳ Ｒ采 用三 色分 簇 Ｃ
＊ ２ １ —６０ ０ １ ０ — ８收 到 ， ０ １ ０ — ０改 回 ２ １－８２
＼ ＋ ｅ ｄ ｄ 。 ｋＥ ２ ＜ｄ
弋＊． ｋ …－ｔｄ 愚 ｕ ＊ ｄ ≥ Ｅｃ ＋
ＥＲ （ ， ）一 ｋ Ｅ
＊ ＊ 王 飞 飞 ， ，９ ２ 生 ， 士 ， 究 方 向 ： 线 传 感 器 网 络 。 女 １８ 年 硕 研 无
） 簇 酋 收 ，
到来 自簇 首 Ⅳ 的 ＭＳ Ｇ后 进行 如 下判 断 ， 果 Ｎ． 脚 如
＜ Ｍ． Ｂ， ｄ （ ， ＋ （ ， Ｓ ＜ｄ （ ， ｓ 且 。 Ⅳ） Ⅳ Ｂ ） ２ Ｂ ） 则 ，
Ｔ ，
用 多路 径衰 减模型 。
Ⅳ 作 为 Ｍ 传 输 数据 的转 发节 点 之 一 ， 簇首 Ｍ 对 所 有 收到 的 信息 进行 如 上 判 断 ， 合 条件 的节 点则 加 入 到 符 转 发节 点集 合 中 。
能耗 。簇 问数 据传输 时簇 首在 路 由转发节 点集合 中选 择 合 适 节点 传输 数 据 ， 备用 路 由的建 立 可 以很 好 地均
衡 节 点能耗 ， 长 网络生存 周期 。 延
基 站 向全 网广 播信 息 （ 信息 中包括 每 层 圆环 的半
径 与 基站 到每层 圆环 的 中心 线距离 断 属 于哪 层 圆环 ， 可根 据 ｄ一 并 的距 离 。 ２ １ 簇首选 择 ． ）传 感器 节点 ， 根 据 接 收信 号 强度 近似 计算 出其 与基 站 的距 离 ｄ， 判 计 算 出 到 中心 线
３ 仿 真 实 验
３ １ 参数 设置 ． 一
为 了对 Ｌ ＵＣ 的性能 进行 评估 验 证 ， Ｏ Ｅ 在 ＭＮＥ Ｔ
协 议 ＵＣ ［ ， 此 基 础 上 ， 后 出 现 了 Ｅ ＵＣ［ 、 Ｓ４ 在 ］ 先 Ｅ ５ ］ ＵＳ Ｒ［ 等 非均 匀 分簇 路 由协议 。本 文在 对 现 有 路 由 Ｃ ６ ３
算 法 ， 对 Ｅ ＵＣ 的 簇 问 路 由 协 议 进 行 改 进 。但 并 Ｅ ＵＳ Ｒ 在 簇 首 选 择 时 仍 没 有 考 虑 到 簇 首 在 簇 内的 位 Ｃ
中 ， 感节 点 一 旦部 署 不 易 更 换 ， 传 因此 ， 究人 员致 力 研 于设 计 出能量 有效 的 ＷＳ 路 由协议 以延 长 节 点存 活 Ｎ 时 间 。 有 的路 由协议 主要 分 为两类 ： 面路 由与分 簇 现 平
的 ； 路 由组 织 阶段 ， 内采 用单 跳通 信 ， 间 采 用 多 在 簇 簇
第 ２ ４卷
第 １ 期 Ｏ
电 脑 开 发 与 应 用
文 章 编 号 ： ０ ３ ５ ５ （ ０ １ １ － ０ ７０ １ ０ —８ ０ ２ １ ） ００ ０ －２
一
种 改 进 的 Ｗ Ｓ 非 均 匀 分 簇 路 由协 议 Ｎ
王 飞 飞 刘 亮 亮
Ａ ｎ Ｉ ｐｒ ｖ ｄ Ｕ ｎｅ ｅ ｕ ｔ ｒ ｎｇ Ｒ ｏ ｔｎｇ Ｐｒ ｔ ｃ ｌｆ ｒ Ｗ ｉ ｅ ｅ ｓ Ｓ ｎｓ ｒ Ｎ ｅ ｗｏ ｋ ｍ ｏ ｅ ｖ ｎ Ｃｌ ｓ ｅ ｉ ｕ ｉ ｏ ｏ ｏ ｏ ｒ ｌ ｓ ｅ ｏ ｔ ｒ ｓ
ｌ 相 关 工 作
１ １ 路 由协 议 分 析 ．
点 与基 站位 置在 网 络部署 完成 后不 再 改变 ， 节点 同构 ，
在 全 网拥有 唯 一 Ｉ 可根 据 接收者 的远 近调 整发 射 功 Ｄ，
ＵＣ Ｓ协 议 将 网络 划 分 为 大小 不 等 的 簇 以 均 衡 全 网能耗 ， 议假 设 将 整个 网络 划 分 为 环绕 基 站 的两 层 协
置 。
协 议研 究 基 础 上 ， 鉴其 优 点 ， 对 其 缺 陷 ， 出 一种 借 针 提 低 能耗 的 非均匀 分簇 路 由协议 Ｌ ＵＣ。 Ｅ
１２ 网络 模型 ．
假 设 Ⅳ 个 传 感 器 节 点 随 机 近 似均 匀 地 分 布 在 大 小 为 ＊ 的 区域 内 ， 站在 监 测 区域 外 ， 感 器 节 基 传
（ 平顶 山学 院 网络计 算 中心 河 南平顶 山
４ ７０ ） ６ ０ ０
【 摘 要】针 对无 线传 感器 网络 中的 “ 区”问题 ， 出 了一种新 的低 能耗 的非均 匀分 簇路 由协议—— Ｌ ＵＣ。 热 提 Ｅ 该
协 议 中，采 用分 布 式 与集 中式 相结 合 的方 式依据 节 点 的剩余 能量 与相对 圆环 中心 线的位 置选择 簇 首 ，成簇 时综
ａ ｏｎ ｌ ｔ ｒ ｅ ｄｓ Ｓｉ ｕｌｔｏｎ ｒ ｓ ｌｓ ｈｏ ｍ ｇ ｃｕｓ ｅ ｈ ａ ． ｍ ａ ｉ ｅ ｕ ｔ ｓ ｗ ｔ ｔ： ＬＥＵ Ｃ ｐｒ ｏ ｏｌｃ ｎ ｏ ｖ ｈｅ “ ｔ ｓ ｈａ ｏｔ ｃ ａ ｓ ｌ ｅ ｔ ｈｏ ｐｏｔ ｐ ｏ ｅ ， ｂａａｎ ｅ ａ ｅ ｃ ｈｅ ” ｒ ｂｌ ｍ ｌ ｃ ｎｄ ｒ ｄｕ ｅ ｔ
路 由［ ］分簇 路 由 以其 在 可扩 展与 节能 方 面的 优势 成 ２ ，
为 目前 的研究 热点 。但是 在对 分簇 路 由 的研 究 过程 中 发 现， 匀 分簇易 导致 网络分割 ， 究 者称 之为“ 均 研 热 区 ” ｏｏ等人 对 于“ 区” 。Ｓ ｒ 热 问题首 次提 出了非 均 匀 分 簇 的思想 ， 于 ２ ０ 并 ０ ５年提 出 了第 一个 非 均匀 分 簇路 由
无 线 传 感 器 网络 （ Ｎ）１ 般 运 行 在 特 殊 环 境 ＷＳ ［ 一 ］
的能量 问题 。Ｅ ＵＣ协 议 主要 由簇 的形成 和路 由组织 Ｅ 两 部 分 组成 。在成 簇 阶段 ， Ｅ Ｅ ＵＣ采 用 不 同 的竞 争 半 径 ， 距 离 基 站 近 的簇 较 小 ， 到 均 衡 簇 首 能耗 的 目 使 达
合 考虑 簇首 能量 与信 号 强度 ， 簇 内根 据 簇 的大小 采用 单 跳或 者 多跳传 输 数据 ，簇 间构 建 多跳 动态 路 由。仿 真结
果表 明 ：Ｌ ＵＣ协议 可 以 好地 解 决 “ 区” 问题 ，均 衡减 少 节点 能耗 ，延 长 网络 的生存 周 期。 Ｅ 设 热
【 键 词 】 无 线 传 感 器 网络 ， 热 区 ，非 均 匀分 簇 ， 簇 首 ，路 由 协 议 关
节 点位 置 ， 用分 布式 与集 中式相 结合 的方 式 ， 采 使簇 首
选择 与形 成 的簇 结构较 为合理 。 较小 的簇 内 ， 在 节点与
文献 ［］ ５ 的方法计 算每个候 选簇 首的竞 争半径 ：
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簇 首直接 通信 ； 在较 大 的簇 内 ， 点利用 贪婪 算法成 链 节 并 通 过 形 成 的链 路进 行数 据 传 输 ， 以 减少簇 内整 体 可