一种分布式能量有效的无线传感器网络分簇路由协议
无线传感器网络能量均衡分簇路由协议
无线传感器网络能量均衡分簇路由协议卫琪【摘要】针对LEACH协议存在的3大问题:簇头选举时未考虑节点剩余能量、频繁成簇造成了大量额外能耗以及欠缺对簇间能耗均衡的考虑,提出了能量有效分簇路由协议(LEACH-improved).该协议中,首轮成簇后网络中簇的分布和数量将保持不变,以后每轮各簇的簇头由上一轮簇头结合节点的能量水平来指定,借鉴泛洪算法的思想,在簇间建立多跳路径,使簇头之间通过多跳通信的方式将数据传输至sink.用TOSSIM对新协议进行了仿真实验,结果显示相比LEACH协议,新协议有效地延长了网络的生命周期.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】5页(P86-90)【关键词】无线传感器网络;剩余能量;簇间能耗均衡;TOSSIM【作者】卫琪【作者单位】中北大学电子与计算机科学技术学院,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP3930 引言无线通信技术和电子技术的发展使得无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)方面的研究受到越来越多的重视。
WSN可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，它是信息技术中的一个新的领域，在人们生产、生活的各个领域都有广阔的应用前景[1-3]。
WSN的一个基本功能就是将监测区域内发生的事件或感知到的数据传送到基站供进一步分析使用，WSN路由协议对这项功能的实现起着至关重要的作用[4]。
通常情况下，传感器节点能量有限且无法补充，因此降低能量损耗、延长网络的生命周期是WSN中设计有效路由算法的核心目标。
WSN的路由协议作为一项关键技术已成为目前研究热点。
本文在对LEACH协议研究的基础上，结合其优点、针对其不足，提出一种基于剩余能量且负载均衡的无线传感器网络能量有效分簇路由协议(LEACH-improved)，可以更好地均衡网络负载，延长网络生存时间。
1 相关工作LEACH ( Low-Energy Adaptive Clustering Hierachy) [5]低功耗自适应分簇路由协议，是最早提出的分簇路由算法。
无线传感器网络分簇路由协议研究
无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络是由大量分布在监测区域的无线传感器节点组成的网络，它们可以通过自组织的方式协同工作来完成各种监测、控制和信息传输任务。
无线传感器网络具有自组织、分布式、大规模等特点，是一种新兴的无线通信网络技术，被广泛应用于环境监测、农业、健康监护、军事侦察和智能交通等领域。
在无线传感器网络中，为了实现高效的数据传输和节能的通信机制，需要采用合适的路由协议管理网络中的数据传输和节点通信的方式。
分簇路由协议是无线传感器网络中最常用的路由协议之一，它通过将网络节点分成不同的簇来管理和协调节点之间的通信，以实现网络的高效和稳定运行。
本文将对无线传感器网络分簇路由协议进行研究和探讨，分析其优缺点，并对其未来发展方向进行展望。
无线传感器网络中的节点通过无线通信方式进行数据传输和通信，因此如何有效地组织和管理网络中的节点成为了一个重要的问题。
分簇路由协议是一种解决这一问题的有效手段，它通过将网络节点分成不同的簇来管理和协调节点之间的通信，以实现网络的高效和稳定运行。
分簇路由协议通常由以下几个部分组成：簇首选举、数据传输、能量管理和网络维护等。
1. 簇首选举：在分簇路由协议中，网络节点通常被分成不同的簇，每个簇中会选举一个簇首节点来管理和协调簇内节点的通信。
簇首的选举通常采用一定的算法和策略来确定，以保证网络的高效和稳定运行。
2. 数据传输：分簇路由协议通常会规定簇内节点将采集到的数据传输给所属的簇首节点，由簇首节点进行数据的汇总和传输。
这种方式可以减少节点之间的通信开销，提高数据传输的效率。
3. 能量管理：由于无线传感器网络中的节点通常由电池供电，能量是一个非常宝贵的资源。
分簇路由协议通常会采用一些能量管理的机制，来延长节点的寿命。
4. 网络维护：由于无线传感器网络通常部署在恶劣的环境中，节点可能会受到各种各样的干扰和损坏。
分簇路由协议通常会包含一些网络维护的机制，来保证网络的高可靠性和稳定性。
无线传感器网络分簇路由协议研究
无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量分布式无线传感器节点组成的自组织无线网络，它是将传感器节点部署在数百甚至数万个节点的环境中，对环境进行全面感知和监测的一种新型无线网络技术。
分簇路由协议是WSN中最常使用的路由协议之一，它将网络中的节点分为几个簇（cluster），每个簇有一个簇头（cluster head）负责管理和通信。
簇头节点负责收集和聚合簇内节点所采集的数据，并将数据传输给基站节点。
分簇路由协议通过将网络分为几个簇，降低了网络中的通信量，延长了网络的寿命和稳定性。
近年来，对分簇路由协议进行了广泛的研究。
基于能量和距离的分簇路由协议被广泛采用。
该协议以节点的能量消耗和节点之间的距离作为选择簇头的依据，同时考虑到了节点能量的均衡和网络中的通信距离。
在基于能量和距离的分簇路由协议中，首先需要选择合适的簇头节点。
一般采用的方法是通过计算每个节点的能量消耗和节点与基站之间的距离，选择具有最小能量消耗和距离最近的节点作为簇头节点。
然后，簇头节点负责组织和管理簇内的节点，并进行数据的收集和聚合。
簇头节点将聚合后的数据传输给基站节点。
在分簇路由协议中，还需要考虑网络的能量消耗问题。
一般采用的方法是通过轮流选举簇头节点的方式，平衡网络中各个节点的能量消耗。
当一个节点成为簇头节点时，其能量消耗较大，因此需要在一定的时间后将其放弃簇头节点的角色，选择其他节点作为新的簇头节点。
除了基于能量和距离的分簇路由协议外，还有一些其他的分簇路由协议被提出。
基于节点剩余能量的分簇路由协议、基于负载均衡的分簇路由协议等。
这些协议通过不同的方式选择簇头节点，并通过不同的方法来解决网络中的能量消耗和负载均衡的问题。
分簇路由协议是无线传感器网络中常用的路由协议之一，能有效地降低网络中的通信量，延长网络的寿命和稳定性。
随着无线传感器网络的发展，分簇路由协议也在不断的发展和改进，为网络的性能和能源效率提供了更好的支持。
一种基于能量和距离的无线传感器网络分簇路由协议
一种基于能量和距离的无线传感器网络分簇路由协议0引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络。
它综合了传感器、嵌入式计算、通信、分布式信息处理、计算机技术、微电子制造技术，能实时监测、感知和采集所监控区域内的各种信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户，在军事、灾难现场、环境监测和医疗救护等领域有广阔的应用前景。
传感器网络一般投放在条件恶劣的环境或者难以涉足的地域中，节点电池的更换或能量的补充几乎是不可能的，所以节能路由协议的设计，对无线传感器网络来说意义十分重大。
目前，提出的WSN路由协议主要有平面路由协议和层次路由协议两类，其中基于簇结构的层次路由协议是当前国内外研究的热点。
无线传感器网络分簇路由协议研究
无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络（WSN）是由许多分布在特定区域内的小型传感器节点组成的网络，这些节点可以感知环境信息并将其传输到基站节点。
在WSN中，通常会出现能量消耗不均匀、数据传输距离较远等问题，为了解决这些问题，研究人员提出了分簇路由协议。
分簇路由协议通过将网络节点分成不同的簇，在每个簇内选择一个簇头节点负责数据的传输和汇聚，可以有效减少能量消耗和传输距离，提高网络的性能和可靠性。
分簇路由协议在WSN中具有重要的地位和作用，因此对其进行深入的研究和分析对于改善WSN的性能和可靠性具有重要意义。
本文将重点介绍和分析目前主流的几种分簇路由协议，并对其进行比较和评价，以期为WSN的实际应用和研究提供一定的参考和借鉴。
一、LEACH协议LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的分簇路由协议，它采用了分簇和动态簇头选择的方式来减少能量消耗。
LEACH协议将网络中的节点随机分成若干个簇，每个簇中都会选择一个簇头节点负责数据的收集和传输，其余节点则成为普通节点。
簇头节点会根据剩余能量和距离基站的远近等因素动态选择，以确保能量消耗均衡和数据传输的可靠性。
LEACH协议的优点是能够有效地降低能量消耗和延长网络的生命周期，同时具有一定的灵活性和适应性。
但是LEACH协议也存在一些问题，比如对于簇头的选择过程中可能会出现不确定性，导致网络的稳定性受到一定影响。
LEACH协议也没有考虑节点的能量消耗速率不同的情况，可能造成部分节点能量消耗过快而导致整个网络的失效。
二、TEEN协议TEEN（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）是一种基于事件触发的分簇路由协议，它主要针对网络中的事件感知和数据传输进行优化。
TEEN协议会根据节点感知到的事件来触发数据传输，只有在事件发生时才会进行数据传输，避免不必要的能量消耗和数据传输。
一种基于簇的无线传感器网络能量有效路由协议
分簇 的结构组织 网络 ， 内节点之间采 用 了一 种新 的数据 簇 转发法 。它是一种选择性 泛洪 的路 由方式 ， 通过 类似 于贪 婪算法找 出最小传输成 本路径 ， 头之 间则 通过数据 的多 簇 跳传输实现 。本 文进 行 了仿真 ， 与 Ｌ Ａ Ｈ 协议 进行 了 并 ＥＣ
维普资讯
３ ４
传感器与微系统（ ｒｎｄ ｃｒ ｎ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎ ｌ ｉ ） Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ ａ ｏ ｒ ｅ ｏｅ
２０ ０ ８年 第 ２ ７卷 第 ３期
一
种 基 于 簇 的 无 线 传 感 器 网络 能 量 有 效 路 由协 议
Ａｂｓｒ ｔ： Ｂｅ ａ ｅ ｏ ｈ ｉ ｔｄ ｅ ｒ ｙ， ｏ ｍｕ ｃ ｔｏ ｎ ｃ ｍ ｐ ｔｔｏ ｃ ｐａ ｉｉｙ ｆ ｓ ｎ ｏ ｏ ｅ ａ ｒ ｕｉ ｇ ｔ ａｃ ｃ ｕｓ ｆｔ ｅ ｌｍｉｅ ｎｅｇ ｃ ｍ ｎｉａｉ ｎ ａ ｄ ｏ ｕ ａｉｎ ａ ｂｌｔ ｏ ｅ ｓ ｒ ｎ ｄ ｓ， ｏ ｔｎ
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无线传感网络一种能量有效的分布式数据交换协议
无线传感网络一种能量有效的分布式数据交换协议无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSN）在现代物联网技术应用场景中广泛使用。
但是，这些设备都非常小巧，能源有限，因此，它们需要高效的数据交换协议以最小化能源消耗。
为此，研究人员已经开发出了很多不同的能量有效的分布式数据交换协议，以保证WSN的可靠运行。
下面将介绍一种经典的协议：LEACH。
LEACH全称Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，是一种分布式协议，利用无线传感器节点的分簇技术来集中处理数据。
该协议结构简单，能量效率高，广泛应用于各种环境监测应用场景。
它将所有传感器节点分为许多不同的簇，每个簇由一个选举出的簇首节点组成。
这些簇首节点负责收集和处理与它们簇中的传感器相关的数据，并将结果传输到主基站上。
LEACH协议执行以下过程：1. 簇首节点选举：LEACH使用轮询方式来选择簇首节点，每个节点有相等的机会被选择。
在每个轮询周期结束前，每个节点在成为簇首节点的机会相等的情况下，通过随机选举方法来决定是否充当簇头。
2. 簇形成：选举出的簇首节点广播其ID以及成为簇的邀请消息，那些收到消息的传感器节点会加入这个簇，并与选中的簇首节点建立通信链接。
3. 数据收集和合并：簇首节点负责在簇内广播同步消息和进行数据分类和聚合，将聚合后的数据发送到主基站上进行后续处理。
同时，簇首节点向单个反应器节点发送控制消息以指示感测器节点在下一个轮询周期内与其建立连接并发送数据。
这将有助于避免有多次轮询周期内有多个节点向簇首节点发送信息而导致通信冲突。
总结来说，LEACH协议有效地在广大无线传感器节点中进行了数据处理和数据簇的排列，大大节约了能源的消耗，提高了整个传感器网络的可靠性和性能表现。
这一有效的协议能更好地为社会服务，例如能够在环境监测等领域发挥重要作用。
leach协议
leach协议协议名称：Leach协议1. 引言Leach协议是一种用于无线传感器网络（WSN）中能量有效的分簇路由协议。
本协议旨在通过将无线传感器节点分为集群（cluster）并选择一个临时的簇首（cluster head）来减少能量消耗，延长整个网络的生命周期。
本协议的目标是提高网络的能量效率、减少能量消耗不均衡以及降低传输延迟。
2. 定义2.1 无线传感器网络（WSN）：由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络，用于收集、处理和传输环境数据。
2.2 集群（Cluster）：由一组相邻的传感器节点组成的子网络，其中一个节点被选为簇首。
2.3 簇首（Cluster Head）：每个集群中被选为临时簇首的节点，负责收集集群内节点的数据并将其传输到基站。
2.4 基站（Base Station）：无线传感器网络中的中心节点，负责接收和处理从簇首传输的数据。
3. 协议流程3.1 集群形成阶段3.1.1 初始化：每个传感器节点根据预先设定的概率p选择是否成为簇首。
概率p可以根据网络规模和能量消耗平衡要求进行调整。
3.1.2 簇首选择：传感器节点根据其剩余能量大小选择成为簇首。
能量越高的节点被选为簇首的概率越大。
3.1.3 集群形成：每个非簇首节点选择距离最近的簇首节点进行关联，形成集群。
3.2 数据传输阶段3.2.1 数据采集：每个传感器节点根据预设周期采集环境数据，并将数据发送给其所属的簇首。
3.2.2 聚合与压缩：簇首节点收集来自其所属节点的数据，并进行聚合与压缩，减少数据量。
3.2.3 数据传输：簇首节点将聚合后的数据传输给基站，可以采用多跳传输或直接传输的方式。
3.3 能量平衡机制3.3.1 簇首轮流：为了避免某些簇首节点能量过早耗尽，每个簇首节点在每一轮中轮流充当簇首的角色。
3.3.2 簇首重新选择：当簇首能量低于一定阈值时，重新选择簇首节点，以平衡能量消耗。
3.3.3 节点睡眠：非簇首节点在完成数据传输后，可以进入睡眠状态以节省能量。
无线传感器网络分簇路由协议研究
无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络（WSN）是由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成的一种自组织、自适应网络。
WSN可以应用于环境监测、军事侦察、医疗保健、智能交通等领域，在这些领域中，WSN能够实现对环境的实时监测和数据的采集。
在无线传感器网络中，节点之间的通信是通过无线电波进行的，节点之间的通信距离受限，同时节点的能量资源是有限的，所以如何高效地组织节点之间的通信，降低能量消耗是无线传感器网络中的一个重要问题。
分簇路由协议是无线传感器网络中的一种重要路由协议，通过将节点分组成簇，形成一种多层次的网络结构，有效地降低了网络中节点之间的通信开销，并且能够有效地降低网络中节点的能量消耗。
本文将对无线传感器网络分簇路由协议进行研究和探讨，对目前主流的分簇路由协议进行介绍和比较，以期为无线传感器网络中的分簇路由协议的选取提供参考。
一、分簇路由协议概述分簇路由协议是指将无线传感器网络中的节点分组成簇，每个簇内有一个簇头节点负责控制簇内节点的通信和数据的传输，簇头节点负责将本簇内的数据传输到网络中的基站节点。
分簇路由协议可以有效地减少网络中节点之间的通信开销，并且能够有效地均衡网络中节点的能量消耗，从而延长整个网络的工作时间。
目前常见的分簇路由协议包括LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）、TEEN（Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）、APTEEN （Adaptive Periodic Threshold-based Sensor Network Protocol）、HEED（Hybrid Energy-Efficient Distributed clustering）、SEP（Stable Election Protocol）等。
1. LEACH2. TEENTEEN协议是一种基于事件触发的分簇路由协议，它可以根据监测区域内的事件的发生情况调整节点之间的通信频率，从而有效地降低了网络中节点的能量消耗。
无线传感器网络分簇路由协议研究
无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络是一种由许多分布式传感器节点组成的网络，这些节点通过无线通信相互连接，可以实现对环境的监测和数据采集。
在无线传感器网络中，由于节点数量众多、能量有限、通信带宽受限等特点，网络中的传感器节点之间需要进行有效的组织和管理，以实现高效的数据传输和节能。
分簇路由协议是无线传感器网络中的一种重要的路由协议，它将传感器节点分成不同的簇（cluster），每个簇都有一个簇头节点（cluster head），负责进行数据的聚集和传输，从而减少网络中节点之间的通信量，延长网络的生命周期。
本文将围绕无线传感器网络分簇路由协议展开研究，探讨目前常用的分簇路由协议的特点、优缺点以及未来的发展方向。
一、分簇路由协议的基本原理在无线传感器网络中，节点之间通信的距离有限，而且节点的能量有限，为了延长网络的寿命并提高网络的传输效率，需要将节点进行分组管理。
分簇路由协议的基本原理是将网络中的所有传感器节点分成不同的簇，每个簇由一个簇头节点来管理，簇头节点负责接收本簇内所有传感器节点采集的数据并进行处理，然后将处理后的数据传输给下一级的节点，直到数据传输到基站或者数据融合节点。
分簇路由协议通常包括两个阶段：簇首选举阶段和数据传输阶段。
在簇首选举阶段，网络中的节点根据一定的规则选择自己所属的簇，并选举产生簇头节点，簇头节点的选择通常考虑节点能量、距离等因素。
在数据传输阶段，簇头节点负责接收和处理本簇内的数据，并将处理后的数据传输给下一级的节点，直到数据传输到基站或者数据融合节点。
1. LEACH协议LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的分簇路由协议，它采用轮换簇首节点的方式来实现能量的均衡消耗。
LEACH协议将网络中的节点随机地分为若干个簇，并由每个簇中的节点根据一定的概率选择自己所属的簇，并选举产生簇头节点。
簇头节点负责接收和聚集本簇内的数据，并将数据传输给基站。
能量高效的无线传感器网络稳定分簇路由协议
能量高效的无线传感器网络稳定分簇路由协议田勇;唐祯安【摘要】针对无线传感器网络能量受限和能量消耗不均衡问题，提出了一种能量高效的稳定分簇（energy-efficient steady clustering，EESC）路由协议，其核心思想是：当前簇头根据其簇成员节点的剩余能量信息决定下一轮簇头，下一轮簇头上任后，非簇头节点根据能量距离函数决定加入哪个簇头，簇间通过簇头最小能量耗费判定依据来决定采用单跳还是多跳通信方式向基站发送数据．EESC路由协议每轮产生的簇头数量稳定，综合了分布式和集中式两类分簇协议的优点．实验结果表明，EESC路由协议不仅高效地利用了网络节点有限的能量，而且均衡了节点的能量消耗，显著地延长了网络的存活时间．%An energy-efficient steady clustering （EESC） routing protocol is proposed in order to solve the problem of limited energy supply and unbalanced energy consumption for wireless sensor networks. In the clustering mechanism, the current cluster heads determine cluster heads for next round according to residual energy of cluster member nodes. In the next round, each non-cluster head node decides which cluster head it will belong to according to energy-distance function. The communication model of single hop or multi-hop that cluster heads select to send data to base station is decided according to the criterion of minimum energy consumption. In EESC routing protocol, the number of cluster heads generated in each round is very steady. And EESC routing protocol combines the advantage of both distributed and centralized clustering protocols. Experimental results show that the proposed routing protocol not only efficiently uses the limited energy ofnetwork nodes, but also balances the energy consumption of all nodes, and significantly prolones the network lifetirne【期刊名称】《大连理工大学学报》【年(卷),期】2012(052)005【总页数】6页(P755-760)【关键词】无线传感器网络;能量高效;稳定分簇;能量距离函数【作者】田勇;唐祯安【作者单位】大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁大连116024 大连东软信息学院嵌入式系统工程系,辽宁大连116024;大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TP3930 引言分簇路由协议是目前无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）研究的热点之一，这类协议首先根据某种规则把WSN节点集划分为多个子集，每个子集成为一个簇，具有一个簇头[1].分簇路由协议中如何选取簇头是最关键问题之一，根据簇头选取方式的不同，可以把分簇路由协议分为分布式和集中式两种[2].分布式路由协议包括两类：一类是节点根据某个阈值决定是否当选为簇头，如LEACH （low－energy adaptive clustering hierarchy）协议[3]就是这类分布式协议，它是由节点根据随机数自主决定是否当选为簇头，每轮产生的簇头没有确定的数量和位置；另一类是通过节点之间的信息交互产生簇头，如 HEED（hybrid energy－efficient distributed clustering）协议[4]和 HEED－M 协议[5].HEED协议将节点最大剩余能量和平均最小可达能量作为选择簇头的参数，以便簇内通信代价达到最小，但是此协议为了达到簇内通信代价最小的目的可能多次进行消息迭代，使得通信开销显著增加.HEED－M协议与HEED协议的唯一区别就是HEED协议使用单跳通信的方式，而HEED－M协议使用多跳通信的方式.集中式路由协议是指由基站基于整个网络信息进行簇拓扑结构的划分，被建模为带有特定限制的图形划分问题，现已证明是NP问题[6].文献[7]提出了一种集中式路由协议LEACH－C（LEACH－centralized）.这类协议的主要缺点是每个节点必须向基站传送地理位置和剩余能量信息，增加了额外的能量开销.近年来，随着 WSN路由协议研究的不断深入，又出现了大量的分簇协议.文献[8]提出了一种按照网络生命周期最大化原则计算最优传感器节点部署圆环数的方法，并且设计了EBDG（energy－balanced data gathering）协议.Kaur等[9]考虑传感器节点的覆盖范围是一个任意形状的区域，设计了一种带有多种尺寸的固定形状区域的网络.文献[10]研究了线性数据采集传感器网络的均衡能量消耗问题.文献[11]提出了一种新的非均匀分簇路由协议EEUC，该协议利用非均匀的成簇半径，使得靠近基站的簇成员节点数目相对减少.文献[12]提出了EBCA协议，将簇内剩余能量最多的节点作为下一轮簇头节点.本文针对WSN能量受限和能量消耗不均衡问题，提出一种能量高效的稳定分簇（EESC）路由协议.该协议由当前簇头选择剩余能量最大的成员节点为下一轮簇头，下一轮簇头上任后，非簇头节点根据能量距离函数决定加入哪个簇，簇间采用单跳或多跳的通信方式发送数据，以降低能量的消耗.1 网络模型本文研究的WSN由N个随机分布在正方形区域内的传感器节点组成，这些节点周期性地收集周围环境的数据，并按照本文给出的路由协议传输至基站.同时假设网络性质如下：（1）基站位于分布区域外侧，并且它和传感器节点在部署后位置不再发生变化. （2）传感器节点都是具有唯一标识的同构节点，并且能够进行数据融合.（3）传感器节点可以根据接收节点的距离，调整发射功率.（4）传感器节点能够根据接收到的信号强度来计算它到发送节点的近似距离[11]. 本文采用的能量消耗模型由发射电路消耗的能量和功率放大电路消耗的能量两部分组成.功率放大电路的能耗根据发射节点和接收节点之间的距离d有所不同，当d 小于阈值d0时，采用自由空间模型；大于等于阈值d0时，采用多径衰落模型.因此，距离为d的两个节点，发射长度为l的数据所消耗的能量为式中：Eelec表示发射电路的能耗；εfsd2和εmpd4分别为功率放大电路在两种模型中的能耗.接收这些数据所消耗的能量为另外，用Eda表示融合单位比特数据所消耗的能量.2 EESC路由协议EESC路由协议的基本操作过程是：在网络部署完成后，基站用给定的功率向网络广播一个信号，每个传感器节点接收到该信号后，根据信号强度计算出到基站的近似距离.在WSN开始工作之前需要先产生第一轮的簇头，由于第一轮传感器节点的能量都是一样的，直接采用LEACH产生簇头的方法来产生簇头.每个节点选择一个介于0和1的随机数，如果这个数小于阈值p，该节点成为簇头.在第一轮的簇头产生后，协议进入循环阶段：（1）簇头向全网广播其成为簇头的消息，非簇头节点在收到簇头广播的消息后，根据能量距离函数确定其属于的簇，并通知相应的簇头；（2）簇头根据簇成员节点发来的信息，选择其中剩余能量最大的节点为下一轮簇头的接班人；（3）簇成员节点按照TDMA（时分复用）时隙发送数据给簇头，簇头对接收的信息进行数据融合之后，将自己此时的信息广播给所有簇头，然后根据簇头最小能量耗费判定依据来选择通信代价最小的方式将数据融合结果发送给基站；（4）基站通知下一轮簇头的接班人成为簇头的消息，网络进入下一轮循环.2.1 簇的形成每个簇头在新一轮循环开始时，向全网广播簇头消息HEAD＿MSG，消息的内容为节点的标识（ID）和当前剩余能量（RE）.非簇头节点接收到此消息后，将根据能量距离函数决定加入哪个簇头.首先非簇头节点sj计算它到发送HEAD＿MSG消息的簇头（CHi）的距离d（sj，CHi），然后计算能量距离函数f（i，j）为[13]其中i为簇头的ID，j为非簇头节点的ID，REi为簇头的剩余能量.节点sj加入簇头CHi的条件就是使能量距离函数f（i，j）最小.根据能量距离函数的公式可知，非簇头节点向簇头发送信息消耗的能量取决于两者的距离d（sj，CHi），此距离越小能量距离函数f（i，j）越小，非簇头节点向簇头发送消息所消耗的能量就越小；簇头的剩余能量越多，能量距离函数f（i，j）越小，就越有利于平衡全网的能量消耗.当非簇头节点sj决定加入簇头CHi之后，向簇头CHi发送JOIN＿MSG消息，消息的内容为节点的ID，以及本轮循环结束后该节点的剩余能量REj，计算如下：其中REj－cur 为节点sj 当前的剩余能量，Ej－sm 为向簇头CHi发送JOIN＿MSG消息所消耗的能量，Ej－td为向簇头CHi传输数据所消耗的能量.簇头CHi记录成员节点的ID及其REj信息，然后簇头给每个簇成员节点分配TDMA时隙.2.2 下一轮簇头的产生在簇的形成阶段，簇头CHi记录了其所有成员节点的剩余能量REj信息.为了平衡全网的能量，簇头必须由能量较高的节点来担任，所以簇头可以从成员节点中选择剩余能量REj最大的节点担任下一轮簇头的接班人.2.3 簇间单跳和多跳混合路由协议在所有节点得到其TDMA时隙后，它们按照所分配的TDMA时隙把收集的数据传送给簇头.簇头先对簇成员节点发来的数据以及下一轮的簇头信息进行融合处理，然后将数据以单跳或多跳的通信方式传输至基站.首先采用文献[11]的思想，引入一个阈值TD＿MAX.若簇头到基站的距离小于TD ＿MAX，则它直接将数据传送给基站；否则使用多跳路由的方式与基站进行通信.在选择单跳或者多跳传输之前，每个簇头向全网广播NODE＿MSG消息，内容包括其节点标识、它当前的剩余能量和它到基站的距离.下面介绍使用多跳路由方式时，簇头选择中继节点的策略.本文选择比簇头CHi更接近基站的区域中的簇头作为路由候选节点，并且建立相应的集合，簇头CHi的路由候选节点集合定义如下：其中CHk表示路由候选节点，d（CHk，BS）表示路由候选节点CHk和基站BS之间的距离，d（CHi，BS）表示簇头CHi和基站BS之间的距离.簇头CHi将从此集合中选择一个节点CHk作为数据转发中继节点，选择的策略分析如下：假设CHk将数据直接传输至基站，则为了传输长度为l的数据至基站，CHi和CHk消耗的总能量为簇头CHi直接与基站通信消耗的能量为如果簇头CHi的路由候选节点集合RCCHi中仅存在一个候选节点CHk，使得E2hop小于E1hop，则簇头CHi将选择CHk作为其中继节点；如果存在多个候选节点使得E2hop小于E1hop，则簇头CHi将选择剩余能量最大的候选节点作为其中继节点；否则簇头CHi将直接与基站进行通信.3 EESC路由协议分析EESC路由协议利用集中式路由协议的思想解决了分布式路由协议簇头数目不确定和簇头剩余能量难以判断的问题；同时又利用分布式路由协议的思想克服了集中式路由协议必须在基站和节点之间传输信息而耗费额外能量的缺点.下面给出了整个协议的伪码：在此协议中，簇头向全网广播HEAD＿MSG消息和NODE＿MSG消息时，广播半径设为此簇头到网络覆盖范围的4个顶点的最大值；而发送JOIN＿MSG消息时，发送半径为实际到目标节点的距离.该协议是消息驱动的，因此需要分析消息复杂度.性质1 在所选网络中，EESC路由协议的消息复杂度为O（N）.证明每一轮开始时，有N×p个簇头共广播N×p条HEAD＿MSG消息；而N×（1－p）个非簇头节点共广播N×（1－p）条JOIN＿MSG消息；簇头向全网广播剩余能量等信息的NODE＿MSG消息共N×p条.因此总的消息开销为即消息复杂度为O（N）.性质1说明EESC路由协议的消息复杂度较小，能量效率较高.文献[11]提出的EEUC协议和文献[14]提出的DEEUC协议的消息复杂度也为O（N），并且都低于HEED协议的消息开销.与文献[11，14]协议相比，EESC协议的消息开销更低，因此能量效率更高.4 实验结果及分析为了验证协议的有效性，利用MATLAB对协议进行了仿真测试，实验所用参数如表1所示.表1 实验参数Tab.1 Simulation parameters参数取值网络覆盖范围/m （0，0）～（200，200）基站位置/m （100，250）N 400节点初始能量/J 0.5 Eelec/（nJ·bit－1）50 εfs/（pJ·bit－1·m－2）10 εmp/（pJ·bit－1·m－4）0.001 3 d0/m 87 Eda/（nJ·bit－1） 5数据分组大小/bits 4 000 TD＿MAX/m 1404.1 参数p的选择协议中决定簇头数目的参数p的选择是非常重要的，本文用实验方法来确定p的取值.令p从0.01到0.1，观察网络中第一个死亡节点和最后一个死亡节点的轮次（R）随之变化的情况.每个p值实验10次取平均值，实验结果如图1所示.由图可见p＝0.04时，网络的第一个死亡节点的轮次最大，当p＝0.02时，网路的最后一个死亡节点的轮次最大；而当p＝0.04时，从第一个死亡节点到最后一个死亡节点的轮次差值最小，这个轮次差值可以反映网络节点能量消耗的均衡情况，差值越小说明网络的能量消耗越均衡.因此本文取p＝0.04，使得网络的存活时间更长，能量消耗均衡程度更好.图1 第一个死亡节点和最后一个死亡节点死亡轮次随参数p的变化Fig.1 The round changes of the first dead node and the final dead node in networks with the parameter p4.2 簇头的能量消耗为了验证本文提出的EESC路由协议能量的高效性和均衡性，将EESC与LEACH、HEED和HEED－M三种分簇路由协议进行比较.由于分簇路由协议中簇头承担了接收成员数据、融合数据和将数据发送给基站等多项任务，是WSN中能量消耗的主要部分.图2显示了随机选取10轮，4种协议的簇头在一轮里消耗能量之和（Et）的比较结果.从图中可以看出，EESC路由协议的簇头消耗的能量之和最低而且波动最小，这是因为EESC协议簇头的消息开销较小，并且簇头采用单跳或多跳的通信方式发送数据至基站，显著降低了能量的消耗；波动最小是由于EESC路由协议的簇头数量在没有节点死亡之前固定不变，簇头消耗的能量之和没有明显的波动.LEACH协议的簇头消耗能量最高，波动最大，是因为它采用单跳通信方式，而且构造的簇头数量较多，导致簇头消耗的能量增大；另外LEACH构造簇头的数量不够稳定，导致簇头消耗的能量之和也有较大差别.HEED和HEED－M协议簇头消耗的能量和波动性处于EESC和LEACH协议之间，而HEED－M协议簇头消耗的能量又低于HEED协议，原因在于HEED－M采用了多跳通信的方式，降低了能量消耗.图2 4种协议的簇头消耗能量之和Fig.2 The sum of energy dissipated by cluster heads in four protocols4.3 网络的生命周期网络生命周期的长短是衡量WSN路由协议优劣的首要设计目标.图3显示了EESC、LEACH、HEED和HEED－M四种协议存活节点数目（Nlife）随轮次变化的情况.存活节点数目可以反映网络能量的使用效率，存活节点越多说明网络的能量使用效率越高.从图中可以看出，由于LEACH协议通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，使得第一个死亡节点出现在大约260轮，而最后一个死亡节点出现在大约600轮.但是，LEACH协议没有考虑节点的剩余能量，并且每轮产生的簇头没有确定的数量，使得网络的生命周期和能量消耗的均衡性并不理想.HEED协议在选择簇头时考虑了节点的剩余能量，并以主从关系引入了多个约束条件作用于簇头的选择过程，同时也考虑了分簇后簇内的通信开销问题，因此第一个死亡节点出现在大约330轮，而最后一个死亡节点出现在大约700轮.与LEACH协议相比，延长了网络生命周期.然而，无论是LEACH协议还是HEED协议，节点都是采用单跳的方式与基站进行通信.HEED－M协议在HEED协议的基础上，将节点与基站的通信方式由单跳改为了多跳，取得了较好的效果.与以上3种协议相比，本文提出的EESC路由协议不仅选择簇内能量最大的节点作为下一轮的簇头，而且在建簇时利用能量距离函数来优化簇内的通信开销，在传输数据时采用单跳和多跳相结合的方式与基站进行通信，因此在大约760轮时才出现第一个死亡节点，而此时其他3种协议的节点已经全部死亡，并且最后一个与第一个死亡节点的差值也远小于其他3种协议，这说明EESC路由协议不仅高效地利用了网络的能量，延长了网络的生命周期，而且网络的能量消耗更加均衡. 图3 4种协议的网络生命周期比较Fig.3 The network lifetime comparison of four protocols5 结语本文提出了一种能量高效的WSN稳定分簇路由协议，该协议利用建簇过程传输节点剩余能量信息，簇头根据簇成员节点的剩余能量来选取下一轮的簇头.这样，不仅使每次产生的簇头能量最大，数目稳定，而且不需要在节点和基站之间传输剩余能量等信息，因此具有分布式和集中式分簇路由协议的共同优点.实验证明了EESC 路由协议能量利用的高效性和能量消耗的均衡性.【相关文献】[1] 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无线传感器网络分簇路由协议研究
无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由一组具有感知、通信和计算能力的无线传感器节点组成的分布式网络。
由于无线传感器节点的资源受限，如能源、计算能力和存储容量有限，因此需要采用有效的路由协议来实现无线传感器网络的高效通信。
分簇是一种常用的无线传感器网络路由策略，即将网络中的节点划分为若干个簇，每个簇包含一个簇首节点（Cluster Head）和若干普通节点。
簇首节点负责汇总和转发普通节点的数据，以减少网络中的通信量和能耗。
目前，已经有许多针对无线传感器网络的分簇路由协议被提出和进行了广泛的研究。
以下将介绍几种较为常见的分簇路由协议。
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的分簇路由协议。
LEACH协议通过随机选择簇首节点的方式来平衡网络中节点的负载和能耗，以延长网络的生命周期。
在每个轮次中，节点根据预先设置的阈值决定是否成为簇首节点，在成为簇首节点后，簇首节点将会通过广播方式将自己的身份信息告知其他节点，并进行数据的聚合和转发。
TEEN（Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）是一种基于阈值的分簇路由协议。
TEEN协议中，普通节点通过设定能耗阈值来决定是否将自己加入某个簇中。
普通节点将汇总自己的数据并发送给簇首节点，当数据超过一定阈值时，簇首节点将会将数据转发到基站。
TEEN协议在提高网络生命周期的也可以节约能耗。
PEGASIS（Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems）是另一种常用的分簇路由协议。
PEGASIS协议采用了链式转发的方式，普通节点通过与相邻节点的距离来选择下一个转发节点，最终将数据传输到基站。
PEGASIS协议能够实现较长的网络生命周期，同时还能够提高节点间的通信效率。
无线传感器网络中的能量有效分簇协议研究
无线传感器网络中的能量有效分簇协议研究传感器网络是一种由大量分布在特定区域的无线传感器节点组成的网络。
这些节点能够感知环境中的各种信息，并将其传输给基站或其他节点。
然而，传感器节点的能量资源通常非常有限，因此如何提高网络的能量效率成为了研究的关键问题之一。
能量有效的分簇协议因此应运而生。
能量有效的分簇协议旨在通过将节点分为若干个簇来延长网络的生命周期。
每个簇都有一个负责节点，称为簇头，其他节点则作为簇成员。
簇头节点负责收集簇内成员节点的数据，并将其转发给其他簇头或基站。
通过采用分簇的方式，能量有效的分簇协议可以减少能量的消耗，延长整个网络的生命周期。
在无线传感器网络中，存在许多能量有效的分簇协议，其中一些具有较高的能量效率和网络性能。
下面将介绍几种常用的能量有效的分簇协议。
首先是低能量自适应聚集（LEACH）协议，这是一种经典的能量有效的分簇协议。
LEACH协议采用了随机选择簇头的方式，以实现能量的均衡消耗。
在每个轮次开始时，每个节点都有一定的概率成为簇头。
选中的簇头节点负责收集和转发簇内成员节点的数据，并通过时间分割的方式将其发送给基站。
其他节点则作为簇成员，只需要将数据发送给所属簇头即可。
通过随机选择簇头的方式，LEACH协议可以实现能量的均衡消耗，延长网络的生命周期。
其次是低能耗双向传输（LEACH-C）协议，这是LEACH协议的改进版。
LEACH-C协议引入了时隙机制，将传感器节点分为多个轮次进行数据传输。
每个轮次包括一个广播阶段和一个双向传输阶段。
在广播阶段，簇头节点广播自己的身份和相关信息，其他节点则根据接收到的广播信息选择所属簇头。
在双向传输阶段，簇头节点负责收集簇内成员节点的数据，并向其他簇头或基站发送数据。
LEACH-C协议通过引入时隙机制，提高了网络的能量效率和数据传输的可靠性。
再次是能量平衡和增长的低能耗簇头选择（PEGASIS）协议，这是一种分布式的能量有效的分簇协议。
在PEGASIS协议中，每个节点只能与距离最近的两个节点通信。
无线传感器网络分簇路由协议研究
无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络是由大量的多功能微型传感器节点组成的分散式自组织网络，其应用范围非常广泛，包括环境监测、农业灌溉、智能家居等。
传感器网络具有低成本、低功耗、无线通信、自组织功能等优点，但也具有传输带宽受限、能量消耗等缺点。
为了解决上述问题，需要设计合适的路由协议。
本文着重研究无线传感器网络中的分簇路由协议。
无线传感器网络中的分簇路由协议是一种将节点按照其位置分为不同簇的路由协议。
在分簇路由协议中，节点分为两种类型：簇头节点和普通节点。
簇头节点负责汇总普通节点的数据，并将数据传输到基站或其他簇头节点，以实现网络的传输功能。
普通节点则负责采集、处理数据，并将数据发送到附近的簇头节点。
分簇路由协议的基本过程如下：（1）初始化：节点启动并进行初始化设置，包括选择簇头节点、选择簇内节点，并进行节点信号强度等级判断。
（2）簇头节点选举：根据节点的能量、距离等因素，选举担任簇头节点的节点，并开始构建簇。
（3）簇内节点选择：簇头节点根据簇内节点的信号强度等级，选择离自己最近的普通节点加入簇。
（4）数据传输：簇头节点负责统计簇内节点采集的数据，并进行聚合处理后，将数据传输到基站或其他簇。
（5）重选簇头节点：当簇头节点能量不足时，将根据节点剩余能量以及其在整个网络中的位置等因素重新选举簇头节点。
二、分簇路由协议的优缺点（1）减少网络拥塞：簇头节点采集并转发普通节点数据，减少了网络拥塞。
（2）降低能量消耗：普通节点仅需通过簇内转发数据，比直接发送数据能减少能量消耗。
（3）提高网络安全性：分簇使得攻击者难以对网络中的所有节点发动攻击，提高了网络安全性。
但是，分簇路由协议也存在以下缺点：（1）路由路径较长：簇头节点需要在簇内转发数据，导致路由路径较长。
（2）簇头节点能量消耗较快：簇头节点需要处理更多的数据，能量消耗也越快。
（3）选举簇头节点准则较为复杂：选举簇头节点需要考虑多种因素，准则较为复杂。
一种能量高效无线传感器网络路由协议的设计
一种分布式能量高效的WSNs非均匀分簇路由协议
节约能耗 。仿 真实验表明 ： Ｄ Ｅ Ｅ Ｕ Ｃ能较好地提 高网络 能效 ， 延长 网络生存时 间。
关键词 ：无线传 感器网络 ； 非均匀分簇 ； 路 由协议 ； 能量高效
中图分类号 ：Ｔ Ｐ ３ ９ ３ 文献标识 码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ ０ ０ － ９ ７ ８ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ｏ ３ － ０ １ ４ ６ － ０ ４
１ ４ ６
传感器与微 系统 （ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ）
２ ０ １ ４年 第 ３ ３卷 第 ３期
一
种 分 布 式 能 量 高 效 的 ＷＳ Ｎ ｓ 非 均 匀 分 簇 路 由协 议
ห้องสมุดไป่ตู้
Ａ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｅ ｄ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ・ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎｔ ｕ ｎ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｃ ｌ ｕｓ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎｇ
一种能量均衡的无线传感器网络分簇路由协议
种 能量 均衡 的无线 传 感 器网络 分簇路 由协议
・ ８ ９・
一
种能量均衡 的无线传 感器 网络分簇路 由协议
汪 华斌 ，罗中 良 ，曾少 宁
（ １ ． 惠州 学院 计算机科学 系 ， 广东 惠州 ５ １ ６ ０ ０ ７ ； ２ ． 华南理工大学 电子与信息学 院， 广 东 广州 ５ １ ０ ６ ４ ０ ）
ｓ ｕｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｍｏ ｎ ｇ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ａ ｎｄ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗｈ ｏ ｌ ｅ ｎ ｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ， ａ ｒ ｅ ｖ ｉ ｓ ｅ ｄ Ｌ ＥＡＣＨ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ， ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ ｎ ｏ ｄ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ ｔ ｏ ａ ｄ ｄ ｒ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｒ ａ ｎ ｄ ｏ ｍ ｃ ｌ ｕｓ ｔ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ｗｈ ｅ ｎ ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ — ｈ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ＬＥＡＣＨ． Ｔｈ ｅ ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ － ｈｅ ａ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ｏ ｓ ｅ ｎ ｂ ｙ ｉ ｍｐｒ ｏ ｖ ｅ ｄ Ｌ ＥＡＣＨ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎｅ ｒ ｙ ｇ ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ，ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ａ ｃ ｌ ｕｓ ｔ ｅ ｒ — ｈ ｅ ａ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｈ ｉ ｇ ｈｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ ｏ ｆ ａ ｎ ｏ ｄｅ ｉ ｓ ｒ ａ ｉ ｓ ｅ ｄ． Ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｒ ｅ ｖ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ Ｌ ＥＡＣＨ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌ ｉ ｓ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｂａ ｌ ａ ｎｃ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉｂ ｒ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ —
无线传感器网络分簇路由协议
⽆线传感器⽹络分簇路由协议ＩＳＳＮ１０００．９８２５．ＣＯＤＥＮＲＵＸＵＥＷＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ，Ｖ０１．１７，Ｎｏ．７，Ｊｕｌｙ２００６，ＰＰ．１５８８—１６００ＤＯＩ：１０．１３６０／ｊｏｓｌ７１５８８＠２００６ｂｙＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ．Ａｌｌｒｉｇｈｔｓｒｅｓｅｒｖｅｄ．⽆线传感器⽹络分簇路由协议⽔沈波＋，张世永，钟亦平（复旦⼤学计算机与信息技术系，上海２００４３３）Ｃｌｕｓｔｅｒ－ＢａｓｅｄＲｏｕｔｉｎｇＰｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓＳＨＥＮＢｏ＋，ＺＨＡＮＧＳｈｉ—Ｙｏｎｇ，ＺＨＯＮＧＹｉ—Ｐｉｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＦｕｄａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３３，Ｃｈｉｎａ）＋Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ：Ｐｈｎ：＋８６—２１—６５６４３２３５，Ｅ—ｍａｉｌ：０４２０２１１６５＠ｆｕｄａｎ．ｅｄｕ．ｃａ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｄａｎ．ｅｄｕ．ｃａＥ－ｍａｉｌ：ｊｏｓ＠ｉｓｃａｓ．ａｃ．ｃｎｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｓ．ｏｒｇ．ｃａＴ乩，Ｆａｘ：＋８６．１０—６２５６２５６３ＳｈｅｎＢ，ＺｈａｎｇＳＹ，ＺｈｏｎｇＹＰ．Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ，２００６，１７（７）：１５８８—１６００．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｓ．ｏｒｇ．ｃｎ／１０００－９８２５／１７／１５８８．ｈｔｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｔｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｌａｙｅｒｉｓｐｉｖｏｔａｌｉｎｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ａｓａｎａｃｔｉｖｅｂｒａｎｃｈｏｆｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓｅｘｃｅｌｉｎｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｅｎｅｒｇｙｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｄａｔａａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎａｎｄＳＯｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｃｌｕｓｔｅｒｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｒｅｔｈｒｅｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓ．Ａｓｖｉｅｗｅｄｆｒｏｍｔｈｅｔｈｒｅｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｒｅｃｅｎｔｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅａｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｓｕｅｓｉｎｔｈｉｓａｒｅａａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｃｌｕｓｔｅｒ；ｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄ摘要：在⽆线传感器⽹络体系结构中，⽹络层的路由技术⾄关重要．分簇路由具有拓扑管理⽅便、能量利⽤⾼效、数据融合简单等优点，成为当前重点研究的路由技术．分析了⽆线传感器⽹络分簇路由机制，着重从簇头的产⽣、簇的形成和簇的路由⾓度系统地描述了当前典型的分簇路由算法，并⽐较和分析了这些算法的特点和适⽤情况．最后结合该领域当前研究现状，指出分簇路由算法未来的研究重点．关键词：⽆线传感器⽹络；分簇路由协议；簇；簇头中图法分类号：ＴＰ３９３⽂献标识码：Ａ作为⼀种新的信息获取⽅式和处理模式，⽆线传感器⽹络（ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，简称ＷＳＮ）Ⅲ⽬前已成为国内外备受关注的研究热点．作为⼀种典型的普适计算（ｐｅｒｖａｓｉｖｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）应⽤，ＷＳＮ通过⼤量部署在监测区域内的传感器节点，采集⽹络覆盖区域内感知对象的信息，通过多跳的⽆线通信⽅式，将收集、处理后的信息提供给终端⽤户．ＷＳＮ不需要固定的⽹络⽀持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可⼴泛应⽤于军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和其他商业领域，以及空间探索和灾难抢险等特殊领域【２，３】．Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２００５—１２—２０；Ａｃｃｅｐｔｅｄ２００６—０２—２３沈波等：⽆线传感器⽹络分簇路由协议１５８９１ＷＳＮ分簇路由协议概述在ＷＳＮ体系结构中，⽹络层的路由技术对ＷＳＮ的性能好坏有着重要影响．随着国内外ＷＳＮ的研究发展，许多路由协议被提了出来，从⽹络拓扑结构的⾓度我们可以⼤体把它们分为两类：平⾯路由协议和分簇路由协议．在平⾯路由协议中所有⽹络节点的地位是平等的，不存在等级和层次差异．它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来⽣成路由．在这类协议中，⽬的节点（ｓｉｎｋ）向监测区域的节点（ｓｏｕｒｃｅ）发出查询命令，监测区域内的节点收到查询命令后，向⽬的节点发送监测数据．平⾯路由的优点是简单、易扩展，⽆须进⾏任何结构维护⼯作，所有⽹络节点的地位平等，不易产⽣瓶颈效应，因此具有较好的健壮性．典型的平⾯路由算法有ＤＤ（ｄｉｒｅｃｔｅｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）［４１，ＳＡＲ（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌａｓｓｉｇｎｍｅｎｔｒｏｕｔｉｎｇ）［５１，ＳＰＩＮ（ｓｅｎｓｏｒｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｉａｎｅｇｏｔｉａｔｉｏｎ）［６１，ＲｏｍｏｒＲｏｕｔｉｎｇ［７】等．平⾯路由的最⼤缺点在于：⽹络中⽆管理节点，缺乏对通信资源的优化管理，⾃组织协同⼯作算法复杂，对⽹络动态变化的反应速度较慢等【８】．在分簇路由协议中，⽹络通常被划分为簇（ｃｌｕｓｔｅｒ）．所谓簇，就是具有某种关联的⽹络节点集合．每个簇由⼀个簇头（ｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄ）和多个簇内成员（ｃｌｕｓｔｅｒｍｅｍｂｅｒ）组成，低⼀级⽹络的簇头是⾼⼀级⽹络中的簇内成员，由最⾼层的簇头与基站ＢＳ（ｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎ）通信（如图１所⽰）．这类算法将整个⽹络划分为相连的区域．Ｆｉｇ．１Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｃｌｕｓｔｅｒ—ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓ图１分簇路由协议拓扑结构在分簇的拓扑管理机制下，⽹络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类．在每个簇内，根据⼀定的机制算法选取某个节点作为簇头，⽤于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的⼯作，负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发．分簇路由机制具有以下⼏个优点【９，１０３：（１）成员节点⼤部分时间可以关闭通信模块，由簇头构成⼀个更上⼀层的连通⽹络来负责数据的长距离路由转发．这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很⼤程度上节省了⽹络能量；（２）簇头融合了成员节点的数据之后再进⾏转发，减少了数据通信量，从⽽节省了⽹络能量；（３）成员节点的功能⽐较简单，⽆须维护复杂的路由信息．这⼤⼤减少了⽹络中路由控制信息的数量，减少了通信量：（４）分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应⽤，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合⼤规模⽹络：（５）与平⾯路由相⽐，更容易克服传感器节点移动带来的问题．２ＷＳＮ分簇路由协议解析学术界对Ａｄｈｏｃ⽹络的研究⽐ＷＳＮ要早，⽬前已有很多针对Ａｄｈｏｃ⽹络的分簇路由协议被提了出来．然１５９０ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖ０１．１７，Ｎｏ．７，Ｊｕｌｙ２００６⽽，由于ＷＳＮ特性不同于Ａｄｈｏｃ⽹络，特别是ＷＳＮ节点能量更为有限，因此，针对ＷＳＮ的特性，必须研究新的分簇算法．ＬＥＡＣＨ（１０ｗ．ｅｎｅｒｇｙａｄａｐｔｉｖｅｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇｈｉｅｒａｒｃｈｙ）［…是ＷＳＮ中最早提出的分簇路由协议．它的成簇思想贯穿于其后发展出的很多分簇路由协议中，如ＴＥＥＮ（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓｅｎｓｉｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｐｒｏｔｏｃ０１）［１２】，ＨＥＥＤ（ｈｙｂｒｉｄｅｎｅｒｇｙ．ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）［１３】等．当然，还有很多分簇路由协议是独⽴开发的，如ＡＣＥ（ａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｃｌｕｓｔｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ）ｔ”Ｊ，ＬＳＣＰ（１ｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｓｅｎｓｉｎｇａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｓ）ｔ”１等．ＬＥＡＣＨ的基本思想是：通过等概率地随机循环选择簇头，将整个⽹络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从⽽达到降低⽹络能量耗费、延长⽹络⽣命周期的⽬的．ＬＥＡＣＨ的执⾏过程是周期性的，每轮循环的基本过程是：在簇的建⽴阶段，每个节点选取⼀个介于０和１之间的随机数，如果这个数⼩于某个阈值，该节点成为簇头．然后，簇头向所有节点⼴播⾃⼰成为簇头的消息．每个节点根据接收到⼴播信号的强弱来决定加⼊哪个簇。
一种分布式无线传感网络分簇路由方法[发明专利]
![一种分布式无线传感网络分簇路由方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6f5961fc0b4e767f5acfcefa.png)
专利名称：一种分布式无线传感网络分簇路由方法
专利类型：发明专利
发明人：张颖,周润东,朱大奇,孙兵,吴秉横,管张均,朱竹灵,熊伟,王明兴,郝冠,方敏
申请号：CN201611235772.9
申请日：20161228
公开号：CN106658641A
公开日：
20170510
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种分布式无线传感网络分簇路由方法，主要解决无线传感网络簇内节点利用多跳通信方式进行数据传输时带来的热区问题导致的网络能量负载不均衡问题。
该方法是一种分布式方法，节点不依赖于对网络整体拓扑结构的感知，仅依靠自身信息以及邻居节点信息结合模糊逻辑选举出合理的簇头节点。
簇头选举阶段，利用模糊逻辑对节点进行性能分析，本发明以节点能量、节点度(邻居节点个数)和邻居节点能量作为评判指标，有效地缓解了多跳通信中常见的热区问题，提升了结构网络的健壮性，延长了网络的生命周期，增强了系统数据传输的效率。
申请人：上海海事大学
地址：201306 上海市浦东新区临港新城海港大道1550号
国籍：CN
代理机构：上海三和万国知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：陈伟勇
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