无线传感器网络中能量有效分簇路由算法
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尼（ ）一 ７ （ ￡ ７ １一 ｅ ２ ３ ） ２ －ｔＴ ／ （ ） ４
点 成为 其他簇 的多跳成 员． ２ ３ 候选节 点 的处理 ． 由无 线通信模 型可 知 ， 点 的传输 能耗随 传输 节
ＥＣ Ｅ ＲＡ为 分 布 式 竞 争 算 法 ， 首 的 选 择 以 簇 节点 与基 站 的距 离及 其邻居 节点 的剩余 能量 中的 最小 为 主要 依据 ． 算法 开始 时 ， 站先 以给 定的功 基 率 向全 网发送广 播信 号 Ｂ ＿ ｓａ ｅ 节 点根 据 接 Ｓ ｍｅｓｇ ，
收 到 的信号强度 计算 出它 到基 站 的距离 ， ， 由
该距 离值 得到 自己的竞争 半径 Ｒ ， 算 如下． 计
Ｔ ， 、
Ｒ 一 ｆ 一ｃ ｍ － ａ Ｂ １ １ ．Ｔ ｘ ｉＳ Ｒ ￣ａ ｇ ＿
＼ ｒａ — Ｉｉ ， ｎｘ Ｉ １ ｎ
（） ２
量 消耗 最小 的簇头 加入 ｌ ． ４ ］
簇 首竞争 结 束后 ， 居 节 点 中有 多个 簇 首 的 邻
组织 成簇 ， 然后 构造路 由树 ， 在数 据传输 阶段 把 网 络采集 的数 据融 合 后 传递 到 基 站． 了减小 簇 头 为 节点 的能 量开销 ， 头之 间 采 用 了多 跳 中 继 的方 簇
路 由候选 节点 ． 里 引入 一 个 阈值 Ｄ 若 簇 首节 这 嬲，
点 到基站 的距 离大于 Ｄ玛， 路 由候 选节 点集合 则 为 ＳＨ 一 ｛ Ｂ ≤ ｄ 岱且 ， ｃ （） ｓ ｌ ｓ ｊ 卜 ≤ ｝ 其 中 ， ｋ 是使得 ｓ 存在 的最 小整数 ； ｊ 否则路 由候选 节点集 合 为 ＳＨ ｉ ｛ ｄ 丑 ≤ ｄ 且 且 ｄ ， Ｒ ｝ 当 Ｇ （）一 ｓ ｌ ｓ ｊ 卜ｓ 卜 ≤ ， 且仅 当集 合为空集 （ 即没有可用于数 据 中继 的路 由 候选节点 ） ， 将 数据直接传 送至基站『 ． 时 ５ ５ ］ 为 了均衡 网 络 能耗 ， 免 节 点 由于能 量 消耗 避 过 多导致 提前 死 亡 ， 首 节点 应 当在 路 由候选 节 簇
武 汉 理 工 大 学 学报 （ 通 科 学 与 工 程 版 ） 交
２１ 年 ０１
第 ３ ５卷
２ Ｅ Ｃ Ｅ ＲＡ 的实 现
Ｅ Ｃ Ａ 算法 是 按 轮 运 行 ， 轮 分 为 成 簇 阶 Ｅ Ｒ 每
段和数 据传 输 阶段 ． 成 簇 阶 段首 先 将 所有 节 点 在
中 ， 依 据 信 号 强 度 计 算 自 己经 过 簇 头 转 发 到 并 Ｓｎ ｉｋ的能 量 消耗 （ 算 按 照 式 （ ） ； 取 转 发 能 计 １）选
（Ｄ， １并 根 据 邻 居 节 点 发 送 的 Ｅ ｍｅｓｇ Ｉ Ｅ ） — ｓａ ｅ 消息更 新邻居 表 ， 到其 开始簇 首竞 争 的时刻 ｔ 得 ．
ｔ Ｔ Ｅ ｄｌ 一百度文库Ｅ／ ｉ （） ３
点 中选择 剩余 能 量 较 多 的节 点 作 为其 中继 节 点 ．
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ６ Ｉ３ ．
Ｄｅ ． ２ ｃ Ｏ１１
无 线传 感 器 网络 中能 量 有 效 分簇 路 由算 法 ＊
周 则 顺 李 腊 元 许 毅 高 玉
（ 汉 理 工 大学 计 算 机学 院 武 武汉 ４０６ ） ３ ０ ３
摘要 ： 由于 无 线 传感 器 节 点 的 电 源 能 量 有 限 ， 出 了一 种 能 量 有 效 分 簇 路 由算 法 （ Ｅ Ｒ ． 算 法 提 Ｅ Ｃ Ａ）该
法相 比具有 更 好 的能 量 有 效 性及 可 扩 展 性口 ． ］ 文
Ｅ（ 表 示 节 点 的 当前 剩 余 能 量 ； 时 ， 点 具 ） 同 节 备数 据融 合功 能 ， 个 节 点都 有 一 个惟 一 的标识 每
（ Ｄ） Ｉ ．
献［ ］ ＨＥ Ｄ 选 举 簇 头 时 考 虑 了剩 余 能 量 ， ２中 Ｅ 但 以主从 关 系引入 了多 个约束 条件 作用 于簇 头 的选
举 过 程 ， 高 了协议 的复杂 度． 文提 出 了一种基 提 本 于能 量有效 的分 簇 的路 由算 法 （ Ｅ ＲＡ） 该 算 法 ＥＣ ， 有效 地平衡 各 节点 的能 量 消耗 ， 大化 整 个 网络 最 的生 命周 期．
定 义 ３ 网络 中节 点 通 信 采 用 Ｈｅ ｚｌ ｎ ｉ ｅｍａ ｎ 等人 在文 献 ［ — ］ ２ ３ 中提 出 的无 线通 信模 型． 当发送
ｄ≥ ｄ 。
ｄ １ ｏ（ ）
式 中 ： 为 发 射 电路 的 能耗 ．ｆ ｅ Ｅ。 ￡ ， 分 别 为 这 ２ 。
种 模 型 中功 率放 大所需 的能量．
周 则 顺 （ ９ ５ ： ， 士生 ， 程 师 ， 要 研 究 领 域 为 计 算机 网 络应 用 技 术 １ ６一） 男 博 工 主 国家 自然 科 学 基 金 项 目（ 准 号 ：０７ １７ ６ ７ ３ １ ，０ ７ ０ ４ 、 家 软 件 开发 环 境 重 点 实 验 室 开 放 基 金项 目（ 准号 ： ＫＬ — 批 ６ ６ ２３ ，０ ７ ２ １ ６ ９ ０ ６ ） 国 批 Ｓ Ｓ ＤＥ ２０ －—２ 、 世 纪 优 秀人 才 支 持 计 划 项 目（ 准 号 ： ＣＥ 一８ ８ ６ 、 －０ ９ＫＦ２０ ） 新 批 Ｎ Ｔ ０ ０ ０ ） 霍英 东 高 校青 年 教 师 基 金 基 础 性研 究 课 题 项 目（ 批 准号 ：２０ ７） 武 汉市 科 技攻 关 项 目（ 准 号 ：００ ０ ２２ ７ 和湖 北 省杰 出 青 年人 才 基 ： 目（ 准 号 ：０ ８ Ｄ ３ ５资 助 １ １６ ７ 、 批 ２ １ １６ １０ ） 金项 批 ２０Ｃ Ｂ ３）
中图法分类号 ：Ｐ ９．１ Ｔ ３３ ０ Ｄ ：０ ３ ６ ／． ｓ ０ ６２ ２ ．０ １０ ． １ ＯＩ１． ９ ３ｊｉ ｎ １ ０—８ ３ ２ １ ． ６０ ３ ｓ
无线 传感 器 网络 （ ｒｌｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ｓ ｗｉ ｅｓｓｎ ｏ ｅｗｏ ｋ ） ｅ
当且仅 当 图 Ｇ 为无 自圈 的 、 连通 的 无 向 图 ； Ｇ 且
测、 医疗监 护 、 业 养殖 和 其 他商 业 领 域 ， 农 以及 空 间探索 和抗 灾抢 险 等特 殊 领 域． 由于 传 感器 节 点
一
般 由电池 供 电 ， 能量 有 限且 不 可 补充 ， 因此 ， 在
影 响无 线传 感器 网络 生命 周 期 的众 多 因素 中 ， 节 点 的 能量最 为重 要． 同时 ， 分簇 算 法与平 面路 由算
第 ３ ５卷 第 ６期
２１ 年 １ ０１ ２月
武汉 理工 大学 学报 （ 交通 科学 与工 程版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ａ ｎｖ ｒ ｉ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＷ ｈ ｎ Ｕ ｉｅ ｓｔ ｏ ｃ ｎ ｌｇ ｙ
（ ａ ｓ ０ ｔｔ ｎ Ｓ ｉ ｃ Ｔｒｎ ｐ ｒ ｉ ｃ ｎ ｅ＆ Ｅ ｇｎ ｅ ｉｇ ａｏ ｅ ｎ ｉｅ ｒ ） ｎ
节点 与接 节点 的距 离小 于 阈值 ｄ 。时 ， 用 自由空 采 间模 型 ， 即发 送方 发 数 据 的 能耗 与 距 离 的平 方 成 正 比， 否则采 用多 路衰 减模 型 ， 发送 方发 送数 据 的 能耗 与距 离 的 四次方成 正 比． 发送 方发送 ｋｂｔ ｉ 的
数 据 到距离 为 ｄ的接 收方所 消耗 的能量 为
剩 余能 量 ； ・ 节点 的剩余 能量 ． Ｅ 为 若 节点 在竞争 时刻 到来 之前 已经收 到邻居 节 点 的簇 首 申明 消息 ＨＥ Ｄ－ ｓａ ｅ Ｉ ， 退 出 Ａ ｍｅｓｇ （Ｄ） 则
竞 争并 加入 以邻 居节点 为簇 首 的簇 ． 否则 ， 点统 节 计 邻居 节点 中 已加 入 簇 的 节 点 数 并 与 阈值 ｋ （） 进 行 比较． 当节 点 数 小 于 阈值 ｋ ￡ 时 ， 点 广 播 （） 节 簇 首 申明消 息宣 布竞争 成功 ． 阈值 ｋ 的计 算公式 如下 （）
然 而 网络能耗 还 与 中继 节 点 的位 置 有关 ， 考 虑 仅 剩余 能 量选 择 中 继 节 点 往 往 会 造 成 网 络 能 耗 增 大， 因此 选择 中继 节点 时还需 考虑 节点 位置 ． 假设 通信 采用 式 （ ） １ 中的 自由空 间模 型 ， 中继
式 中 ： 为分 布在 Ｅ ． ， ］ 随机 实 数 ； ｏ９１ 的 Ｔ为 事 先 规 定 的簇 首竞 争 持 续 时 间 ； 为邻 居 节 点 的平 均 Ｅ
式 中 ： 控 制 取 值 范 围 的 参 数 ， 网 络 规 模 在 ｃ为 依 ［ ，］ Ｏ １ 内取值 ， 其值 确定后 固定 不变 ； … 和 ｄ 。 ｄ 为
节 点到基 站 的距 离 的最 大值 和最 小 值 ； 节 点 Ｒ 为 的最大竞 争半径 ． 每 个节点 将竞 争半径 内的区域 作为 自己的竞 争 区域 ， 将竞 争 区域 内的所 以其 他 节点 看 做 是 自 己的邻 居 ． 点 以半 径 Ｒ 节 广播 消 息 Ｅ ｍｅｓｇ — ｓａ ｅ
１ Ｅ ＣＲＡ 的 网络 描 述 Ｅ
无线 传感 网络 由 Ｎ 个 随机 部署 的节 点组 成 ， 因此 可 有如下 描述定 义 ． 定 义 １ 设 图 Ｇ：（ Ｅ） Ｖ， 为简 单连通 无 向图 ，
收 稿 日期 ：０ １０ －０ ２ １－８２
ＥＴ ｆ ） 一 ＝（ ，
ｊ Ｉ ｆ ｌｅ ｓ ｃ 双 ｄ ｆ Ｅ ＋
式将 采集 的数据 发送 到基 站．
２ １ 簇及 簇头 的选择 算 法 ．
节 点加 入距 自己最 近 的簇 以减 少 通 信 干 扰 ， 未加
入 簇 的节点 发送 消 息 Ｊ Ｊ Ｉ ｍｅｓｇ （Ｄ，ｕ ＿ Ｏ Ｎ— ｓａ ｅ Ｉ Ｊ ｍ—
ｐＤ） 剩余能量 最 小 的邻 居 节 点 ， 过 该 邻 居节 ｌ 至 通
是 基 于 最 小 能 量 的数 据 转 发 并 运 用 于 簇 内路 由 中 ， 头 由基 站 根 据 节 点 的 剩 余 能量 和 簇 头 之 间 的 簇 距 离 来 选 定 ， 了 减 小簇 头 节 点 的 能 量 开 销 ， 头 之 间 采 用 了 多 跳 中 继 的方 式 将 采 集 的 数 据 发 送 为 簇 到基 站 ． 真 结 果 证 明 ： 算 法 与 Ｌ ＡＣ 协 议 相 比 ， 仅 提 高 了 网 络 寿 命 ， 仿 该 Ｅ Ｈ 不 同时 节 点 的 能 耗 均 衡 性 、 络扩展性和可靠性都大大的提高． 网 关键 词 ： 线 传 感 器 网络 ； 量 有 效 ； 簇 无 能 分
是 信息感 知 和采 集技 术 最 重 要 的技 术 之 一 ， 部 它
署灵活、 护简单， 维 广泛 应 用 于军 事 侦察 、 环境 监
中任 意 ２ 节点 之 间最 多有 一条 边 ， 中 为所 个 其
有 节 点构成 的顶 点集 合 ， 为所 有 链 路 构 成 的边 Ｅ 集合． 定义 ２ 假定 传感 器 网络 Ｇ 中各节 点均 具有 相 同的初 始 能 量 Ｅ。 对 Ｇ 中 的任 意 节 点 ， 用 ， 可
距 离的增加显著增 大． 为降低传输 能耗 ， Ｅ Ｒ Ｅ Ｃ Ａ不
仅采 用基于树结构 的多跳路 由方 式 ， 而且 在选 择路 由候选节点 时选 择距 离 自己较 近 的节． 因此 ， 在簇 生成后 ， 每个 簇 首 向全 网 广播 消息 Ｒ Ｌ Ｅ ＡＹ— ｓ ｍｅ— ｓｇ （ Ｅ商 ｕ， 斑） 根 据其 他 簇 首 发送 的 消息 ａ ｅＩ ｒｄＩ 一 ， Ｄ， ａｄ 强度计算得 到距其他簇 首的距离 ， 据距离值 选择 依
点 成为 其他簇 的多跳成 员． ２ ３ 候选节 点 的处理 ． 由无 线通信模 型可 知 ， 点 的传输 能耗随 传输 节
ＥＣ Ｅ ＲＡ为 分 布 式 竞 争 算 法 ， 首 的 选 择 以 簇 节点 与基 站 的距 离及 其邻居 节点 的剩余 能量 中的 最小 为 主要 依据 ． 算法 开始 时 ， 站先 以给 定的功 基 率 向全 网发送广 播信 号 Ｂ ＿ ｓａ ｅ 节 点根 据 接 Ｓ ｍｅｓｇ ，
收 到 的信号强度 计算 出它 到基 站 的距离 ， ， 由
该距 离值 得到 自己的竞争 半径 Ｒ ， 算 如下． 计
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簇 首竞争 结 束后 ， 居 节 点 中有 多个 簇 首 的 邻
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点 到基站 的距 离大于 Ｄ玛， 路 由候 选节 点集合 则 为 ＳＨ 一 ｛ Ｂ ≤ ｄ 岱且 ， ｃ （） ｓ ｌ ｓ ｊ 卜 ≤ ｝ 其 中 ， ｋ 是使得 ｓ 存在 的最 小整数 ； ｊ 否则路 由候选 节点集 合 为 ＳＨ ｉ ｛ ｄ 丑 ≤ ｄ 且 且 ｄ ， Ｒ ｝ 当 Ｇ （）一 ｓ ｌ ｓ ｊ 卜ｓ 卜 ≤ ， 且仅 当集 合为空集 （ 即没有可用于数 据 中继 的路 由 候选节点 ） ， 将 数据直接传 送至基站『 ． 时 ５ ５ ］ 为 了均衡 网 络 能耗 ， 免 节 点 由于能 量 消耗 避 过 多导致 提前 死 亡 ， 首 节点 应 当在 路 由候选 节 簇
武 汉 理 工 大 学 学报 （ 通 科 学 与 工 程 版 ） 交
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第 ３ ５卷
２ Ｅ Ｃ Ｅ ＲＡ 的实 现
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中 ， 依 据 信 号 强 度 计 算 自 己经 过 簇 头 转 发 到 并 Ｓｎ ｉｋ的能 量 消耗 （ 算 按 照 式 （ ） ； 取 转 发 能 计 １）选
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点 中选择 剩余 能 量 较 多 的节 点 作 为其 中继 节 点 ．
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ６ Ｉ３ ．
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无 线传 感 器 网络 中能 量 有 效 分簇 路 由算 法 ＊
周 则 顺 李 腊 元 许 毅 高 玉
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摘要 ： 由于 无 线 传感 器 节 点 的 电 源 能 量 有 限 ， 出 了一 种 能 量 有 效 分 簇 路 由算 法 （ Ｅ Ｒ ． 算 法 提 Ｅ Ｃ Ａ）该
法相 比具有 更 好 的能 量 有 效 性及 可 扩 展 性口 ． ］ 文
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举 过 程 ， 高 了协议 的复杂 度． 文提 出 了一种基 提 本 于能 量有效 的分 簇 的路 由算 法 （ Ｅ ＲＡ） 该 算 法 ＥＣ ， 有效 地平衡 各 节点 的能 量 消耗 ， 大化 整 个 网络 最 的生 命周 期．
定 义 ３ 网络 中节 点 通 信 采 用 Ｈｅ ｚｌ ｎ ｉ ｅｍａ ｎ 等人 在文 献 ［ — ］ ２ ３ 中提 出 的无 线通 信模 型． 当发送
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式 中 ： 为 发 射 电路 的 能耗 ．ｆ ｅ Ｅ。 ￡ ， 分 别 为 这 ２ 。
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周 则 顺 （ ９ ５ ： ， 士生 ， 程 师 ， 要 研 究 领 域 为 计 算机 网 络应 用 技 术 １ ６一） 男 博 工 主 国家 自然 科 学 基 金 项 目（ 准 号 ：０７ １７ ６ ７ ３ １ ，０ ７ ０ ４ 、 家 软 件 开发 环 境 重 点 实 验 室 开 放 基 金项 目（ 准号 ： ＫＬ — 批 ６ ６ ２３ ，０ ７ ２ １ ６ ９ ０ ６ ） 国 批 Ｓ Ｓ ＤＥ ２０ －—２ 、 世 纪 优 秀人 才 支 持 计 划 项 目（ 准 号 ： ＣＥ 一８ ８ ６ 、 －０ ９ＫＦ２０ ） 新 批 Ｎ Ｔ ０ ０ ０ ） 霍英 东 高 校青 年 教 师 基 金 基 础 性研 究 课 题 项 目（ 批 准号 ：２０ ７） 武 汉市 科 技攻 关 项 目（ 准 号 ：００ ０ ２２ ７ 和湖 北 省杰 出 青 年人 才 基 ： 目（ 准 号 ：０ ８ Ｄ ３ ５资 助 １ １６ ７ 、 批 ２ １ １６ １０ ） 金项 批 ２０Ｃ Ｂ ３）
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竞 争并 加入 以邻 居节点 为簇 首 的簇 ． 否则 ， 点统 节 计 邻居 节点 中 已加 入 簇 的 节 点 数 并 与 阈值 ｋ （） 进 行 比较． 当节 点 数 小 于 阈值 ｋ ￡ 时 ， 点 广 播 （） 节 簇 首 申明消 息宣 布竞争 成功 ． 阈值 ｋ 的计 算公式 如下 （）
然 而 网络能耗 还 与 中继 节 点 的位 置 有关 ， 考 虑 仅 剩余 能 量选 择 中 继 节 点 往 往 会 造 成 网 络 能 耗 增 大， 因此 选择 中继 节点 时还需 考虑 节点 位置 ． 假设 通信 采用 式 （ ） １ 中的 自由空 间模 型 ， 中继
式 中 ： 为分 布在 Ｅ ． ， ］ 随机 实 数 ； ｏ９１ 的 Ｔ为 事 先 规 定 的簇 首竞 争 持 续 时 间 ； 为邻 居 节 点 的平 均 Ｅ
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无线 传感 网络 由 Ｎ 个 随机 部署 的节 点组 成 ， 因此 可 有如下 描述定 义 ． 定 义 １ 设 图 Ｇ：（ Ｅ） Ｖ， 为简 单连通 无 向图 ，
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式将 采集 的数据 发送 到基 站．
２ １ 簇及 簇头 的选择 算 法 ．
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是 基 于 最 小 能 量 的数 据 转 发 并 运 用 于 簇 内路 由 中 ， 头 由基 站 根 据 节 点 的 剩 余 能量 和 簇 头 之 间 的 簇 距 离 来 选 定 ， 了 减 小簇 头 节 点 的 能 量 开 销 ， 头 之 间 采 用 了 多 跳 中 继 的方 式 将 采 集 的 数 据 发 送 为 簇 到基 站 ． 真 结 果 证 明 ： 算 法 与 Ｌ ＡＣ 协 议 相 比 ， 仅 提 高 了 网 络 寿 命 ， 仿 该 Ｅ Ｈ 不 同时 节 点 的 能 耗 均 衡 性 、 络扩展性和可靠性都大大的提高． 网 关键 词 ： 线 传 感 器 网络 ； 量 有 效 ； 簇 无 能 分
是 信息感 知 和采 集技 术 最 重 要 的技 术 之 一 ， 部 它
署灵活、 护简单， 维 广泛 应 用 于军 事 侦察 、 环境 监
中任 意 ２ 节点 之 间最 多有 一条 边 ， 中 为所 个 其
有 节 点构成 的顶 点集 合 ， 为所 有 链 路 构 成 的边 Ｅ 集合． 定义 ２ 假定 传感 器 网络 Ｇ 中各节 点均 具有 相 同的初 始 能 量 Ｅ。 对 Ｇ 中 的任 意 节 点 ， 用 ， 可
距 离的增加显著增 大． 为降低传输 能耗 ， Ｅ Ｒ Ｅ Ｃ Ａ不
仅采 用基于树结构 的多跳路 由方 式 ， 而且 在选 择路 由候选节点 时选 择距 离 自己较 近 的节． 因此 ， 在簇 生成后 ， 每个 簇 首 向全 网 广播 消息 Ｒ Ｌ Ｅ ＡＹ— ｓ ｍｅ— ｓｇ （ Ｅ商 ｕ， 斑） 根 据其 他 簇 首 发送 的 消息 ａ ｅＩ ｒｄＩ 一 ， Ｄ， ａｄ 强度计算得 到距其他簇 首的距离 ， 据距离值 选择 依