无线传感器网络分簇路由协议的改进研究

作 者 简介 ： 建 斌 （９ ２ ， ， 南邵 阳人 ， 究 方 向 为 嵌 入 式 系统 应 用 、 联 网技 术 ． 谭 １ ８ 一） 男 湖 研 物
现 计 机 ２１１ ｅ 代 算 ０１２ ．
段 是 簇 头 的形 成 阶 段 ．具 体 算 法 如 下 ：每 一 个 节 点 从
０ ｌ中 选 取 一 个 随 机 数 ．如 果 这 个 随 机 数 小 于 这 本 ～
Ｌ ＣＨ协 议 并 不适 合 于 大 规 模 无 线 传 感 器 网络 ＥＡ １２ ． ＧＳ ＥＮ 路 由 协 议
在 Ｐ ＡＳＳ和 Ｌ Ａ ＥＧ Ｉ Ｅ ＣＨ 协 议 的 基 础 上 ． ｈｄ Ｎａ ｉａ等
人 结 合 了两 种 协 议 的 优 点 提 出 了基 于 簇 的 传 感 器 路 由 网络 （ ｏ ｐ ｂ ｓ ｄＳ ｎ ｏ ｅｗ ｒ ＧＳ Ｎ） 由方 案 ， Ｇｒｕ — ａｅ ｅ ｓ ｒＮ ｔｏｋ， Ｅ 路 在
对 网 络 动 态 变 化 的反 应 速 度 较 慢 在 分簇 路 由协 议 中 ， 通 常 对 网络 中 的 节 点 进 行 层 次 划 分 。若 干 地 理 位 置 相 邻 的节 点 构 成 一 个 簇 ． 个 簇 内 选 举 一 个 簇 首 ， 首 不 每 簇
１ 无 线传 感 器 网络 中几种 分簇 路 由协 议 介 绍
其 中 典 型 的 代 表 为 自适 应 聚 类 算 法 （ ｏ ｎ ｒｙ Ｌ ｗ Ｅ ｅｇ Ａｄ ｐｉｅＣ ｕ ｔｒ ｇＨ ｅａ ｈ ，Ｅ Ｈ） ，Ｅ Ｈ 是 ＷＳ ａ ｔ ｌｓｅｉ ｉｒｃ ｙ Ｌ ＡＣ ｔ Ｌ ＡＣ ｖ ｎ ￣ Ｎ
Ｌ Ａ Ｈ 协 议 ｉ Ｍ Ｔ学 者 Ａ Ｃ ａ ｄａ ａａ 人 为 Ｅ Ｃ ２ １ Ｉ 是 ．ｈ ｎ ｒｋｓｎ等 无 线 传 感 器 网络 设 计 的低 功 耗 自适 应 聚 类 路 由 协 议 。 其 基 本 思 想 是 减 少 与 基 站 直 接 通 信 的节 点 数 ，并 通 过 数 据 融 合 技 术 降低 能 量 消 耗 ．后 来 很 多 协 议 的簇 头 选
的 生 存 时 间
长 网 络 生 存 周 期 无 线 传 感 器 网络 路 由 协 议 按 拓 扑 结 构 可 分 为 两 类 ： 面 路 由协 议 和 分 簇 路 由协 议 。 平 面 平 在 路 由协 议 中 ． 节 点 地 位 平 等 。 过 局 部 操 作 和 反 馈 信 各 通 息 来 生 成 路 由 。 面路 由 缺 乏 对通 信 资 源 的 优 化 管 理 ， 平
摘
要 ：针 对 无 线传 感 器 网络 （ Ｓ 中分 簇路 由协 议 Ｌ Ａ Ｈ 算 法 中簇 首 分 配 不 均 以及 簇 首 与Ｓｎ Ｗ Ｎ） Ｅ Ｃ ｉ ｋ
节 点 直接 通 信 问题 进 行 研 究 ． 出一 种 基 于 Ｌ Ａ 提 Ｅ ＣＨ 成 簇 思 想 的 分 簇 路 由协 议 。该 算 法 基 于节 点 剩 余 能 耗 和 已担 任 簇 首 时 间选 举 簇 头。 簇 头 间采 用 贪 婪 算 法 形 成 一 条链 ， 该链 中 在
网络 数 据 传 输 离 不 开 路 由协 议 ．传 统 的无 线 网 络
的首 要 设 计 目标 是 提 高 服 务 质 量 和 高 效 宽 带 利 用 ， 其
次 考 虑 节 约 能量 ．而传 感 器 网 络 的首 要 设 计 目标 是 能 量 的高 效 使 用 。 因此 ． 研 究 无 线 传 感 器 网络 路 由协 议 在 中 ．许 多 新 的 协 议 的成 簇 思 想 都 是 基 于 Ｌ Ａ Ｈ 协 议 Ｅ Ｃ
ｃ｛＿ ｄ ｎ ｐ ‘× ＝ 。
善
ｃ
为： 传感器节点接收 ｋｂ 数据所消耗的能量为 ： ｉ ｔ
（ ， ｘ “ × ＋ × ≤ （ ２）
式中： Ｐ是 节 点 成 为 一 个 簇 头 的 期 望 百 分 比 ： ｒ为
当前 的 轮 数 ； 为 在 最 后 的 １ 轮 中还 没 有 成 为 簇 头 的 Ｇ ／ ｐ
初 始化 阶段 的 时 间 要 长 得 多
３ 分 簇 路 由协 议 的 改进
针对 Ｌ Ａ Ｅ ＣＨ 协 议 中 簇 头 选 举 中 的不 足 ．并 结 合
Ｇ Ｅ 中簇 头 选 举 的优 点 ． 文 在 簇 首 选 择 和 簇 间 数 据 ＳＮ 本
传 输 方 式 进 行 了改 进 。以 平 衡 总 的能 量 消 耗 、 长 网络 延 的 存 活 时 间 为 主 要 设 计 目 标 ． 提 出 了 一 种 改 进 的
无线传感器 网络分簇路 由协议 的改进研究
谭 建 斌 １ ． 刘 永 福 ， 陈世 文 。
（． 山 职 业 技 术 学 院 ， 山 ５ ８ ３ ； ． 东 理 工 职 业 学 院 ， 州 ５０ ９ ； ． 应 学 院 ， 州 ５ ４ １ ） １佛 佛 ２ １７ ２ 广 广 １０ １ ３ 嘉 梅 １ ５ ５
Ｌ ＡＣ 路 由协 议 — — Ｌ ＣＨ— Ｅ Ｈ ＥＡ ＡＤ， 、
与 平 面 路 由算 法 相 比 ． Ｅ Ｈ 算 法 可 以 将 网络 的 Ｌ ＡＣ 生 存 期 延 长 ３ ％左 右 ．但 Ｌ ＡＣ 中 仍 存 在 很 多不 足 ． ０ Ｅ Ｈ
３１ 簇 首 的 选举 ．
在 簇 首 选 择 阶 段 ．Ｅ Ｃ 协 议 是 在 整 个 区域 中随 ＬＡ Ｈ 机 地 选 择 簇 首 ． 种 方 式 简 单 ． 是 无 法 保 证 簇 首 节 点 这 但
相 邻 节 点 信 息 高 度 相 关 ：基 站 固 定 ，且 有 无 线 能 量 供
应 ： 点 能 量 有 限 ， 有 功 率 控 制 和 定 位 功 能 ． 有 节 节 具 所
“ ” 设 定 的 门 限 值 Ｔ ｎ ． 么 这 个 节 点 就 成 为 簇 轮 所 （）那 头 。 随 机 性 确 保 簇 头 与 网关 节 点 之 间 数 据 传 输 的 高 能 耗 成 本 均 匀 地 分摊 到 所 有 传 感 器 节 点 上 。 （ ） 公 式 ｎ按
又 选 出一 个 簇 头 ． 整 个 网络 的数 据 融 合后 转 发 给 基 站 。ＭａＬ ｂ仿 真 结 果 显 示 ， 将 ｔａ 改进 后 的
算 法 在 均 衡 网络 节 点能 耗 和 网络 的 生存 时 间上 比 Ｌ Ａ Ｅ ＣＨ 算 法有 很 大提 高。 关 键 词 ： 线 传 感 器 网络 ； 簇路 由协 议 ；贪 婪 算 法 ； Ｅ Ｈ ；网络 生存 时 间 无 分 Ｌ ＡＣ
。 ’ 。
［ｘ ｅ ｋ Ｅｐｄ ／ ｄ ｋ Ｅ ￣ ｍ ４ ｆ ＞ ＋ ｘ
（ ３）
节点集 。 簇首选定后 ． 簇首 的节点再 向网络广播分簇 信
息 ． 知其 他 节 点 产 生 了一 个 新 的 簇 首 其 他 节 点 接 收 告
到 的分 簇 消 息 后 ． 据 信 号 强 度 来 选 择 它要 加 入 的簇 ． 根 并 通 知 相 应 的簇 首 各 簇 中 的节 点 通 过 Ｔ ＤＭＡ方 式 与
供 电 ． 算 能 力 和存 储 空 间 有 限 。 且 通 常 布 置 在 环 境 计 而 恶 劣 或 者 很 难 达 到 的 区 域 ． 因此 给 节 点 更 换 电 池 是 不 现 实 的 设 计 一 种 好 的 网络 协 议 可 以有 效 降低 能 耗 ， 延
出的 算 法 首 先 根 据 节 点 的 剩余 能 量 来 概 率 性 地 选 取 一 些 候 选 簇 首 ．然 后 以簇 内通 信 代 价 的 高 低 来 竞 争 产 生 最 终 的簇 首 。 文献 中提 出 的 Ｇ Ｅ 在 Ｓ Ｎ路 由方 案 ， 主 其 要 思 想 是 簇 内 节 点 和 簇 头 节 点 都 利 用 贪 婪 算 法 组 成 链 ． 据 经 过 处 理 后 沿 着 链 传 输 信 息 ， 效 提 高 了 网 络 数 有
０ 引
言
出 的 很 多 重 要 分 簇 路 由算 法 影 响 深 远 。在 文 献 ［】 提 ３中
无 线 传 感 器 网 络 是 集 信 息 采 集 、 息 传 输 、 息 处 信 信 理 于 一 体 的综 合 智 能 信 息 系 统 ． 有 广 阔 的应 用 前 景 ， 具 是 目前非 常 活跃 的 一 个 领 域 ｌ 传 感 器 节 点 通 常 由 电池 ｌ Ｊ
举 策 略 都 是 基 于 Ｌ ＡＣ 发 展 而 来 的 Ｌ ＡＣ 的 整 个 Ｅ Ｈ Ｅ Ｈ 工 作 过 程 分 为初 始 化 阶段 和 稳 定 工 作 阶段 初 始 化 阶
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中最 早 提 出 的分 簇 路 由算 法 ．它 的成 簇 思 想 对 后 来 提
收 稿 日 期 ：０ １ ０ ２ ２ １ —１ — ６ 修 稿 日期 ： ０ １ １ ６ ２ １ —１ —１
分 簇 路 由协 议 中 ， 首 的 选 择 将 至 关 重 要 ． 种 好 簇 一
的簇 头 选 举 方 法 将 有 效 平 衡 ＷＳ Ｎ负 载 ． 长 网 络 的生 延
成 簇 阶段 ． 用 Ｌ Ａ Ｈ 协 议 将 网络 中 的 节 点 组 成 几 个 利 Ｅ Ｃ
簇 ． 内 节 点 根 据 贪 婪 算 法 ［ 成 链 ． 中 的 节 点 通 过 簇 ５ １ 组 链
ＥＡ（ ＝ ｘ ） ｋ
其 中 Ｅ 是信号 放大器 的放大倍数 ， 是发射 Ｅ Ｅ
电路 所 消 耗 的能 量 ． 发送 节 点 和接 收 节 点 之 间 的 距 ｄ是
离。
簇首进 行通 信。 在稳定 阶段 ． 节点持续采集监 测数据 传
给簇 首 。簇 首 在将 数 据 转 发 给 Ｓ ｋ 点 前 ．先 对 从 各 ｉ 节 ｎ 节 点 接 收 来 的数 据 进 行 必 要 的 数 据 融 合 处 理 ．减 小 通 信 业 务 量 为 了避 免 额 外 的处 理 开 销 ． 定 阶段 一 般 比 稳
存 周 期 Ｌ Ａ Ｈ 选 簇 是 随机 的 ． 个 节 点 都 要 产 生 一 Ｅ Ｃ 每
个 ０到 １之 间 的随 机 数 ， 相 应 的 阈 值 （ 进 行 比较 ， 与 ｎ） 若 该 随 机 数 小 于 阈 值 （ ） 则 当 选 为 簇 首 ， 之 则 为 ｎ， 反
非 簇 首 节 点 接 下 来 在 已经 划 分 好 的 簇 中重 新 选 择 簇
的。 １１ Ｌ ＡＣＨ 协 议 ． Ｅ
仅 负 责 簇 内 信 息 的 收集 和 融 合 。还 负 责 簇 间 的 数 据 转
发 这 种 分簇 路 由对 系 统 变 化 能 做 出快 速 反 应 ． 而 为 从 网络 提供 高 质 量 的通 信 服 务 ．因 此 分 簇 路 由 协 议 是 研 究 人 员 关 注 的 热 点
（ ） 算 如下 ： １计
点 都 不 移 动 。 在 Ｌ Ａ Ｈ 路 由算 法 中 ． 用 的 能 量 消 耗 Ｅ Ｃ 使
公 式 是 一 阶无 线 电模 型ｆ ¨ｆ
该 模 型 考 虑 了发 射 电路 的 发 射 能 量 、功 率 放 大 器
消 耗 的 能 量 以 及 接 收 电路 接 收 能 量 ．且 能 量 损 耗 与 传 输 距 离 有 关 ． 感 器 节 点 发 送 ｋｂｔ 据 所 消 耗 的 能 量 传 ｉ数
在空 间上的均匀分布 ． 在某 些 情 况 下 ， 法 所 选 择 的簇 算 首 节 点 可 能 集 中在 某 一 个 小 范 围之 内 ．使 得 一 部 分 成 员 节 点 无 法 加 入 任 何 簇 或 者 与 簇 首 节 点 进 行 数 据 传 输
时 消耗 过 多 的 能 量
例 如簇 头 选 举 时 未 考 虑 节 点 的剩 余 能 量 ：簇 头 直 接 与 基 站 发 送 信 息 ， 站 一 般 离 无 线 传 感 器 网 络 比较 远 ． 基 簇 头需 要 进 行 远 距 离传 输 ．节 点 电池 会 消 耗 很 快 而 且