基于EEUC协议的非全局分簇路由协议

2017-06-01 15:22何传波覃琪
电脑知识与技术 2017年8期
关键词:路由协议

何传波 覃琪

摘要:针对非均匀分簇(EEUC)路由协议仅考虑节点与基站距离决定簇半径以及选择簇头时仅考虑节点剩余能量等不足,在其基础上进行改进,利用节点与基站的距离、节点相邻节点数量决定成簇半径,综合考虑节点剩余能量、节点相邻区域节点数量和成簇通信代价以及到基站的距离等因素进行分簇,路由协议还考虑中继节点数和传送信息次数等。通过MATLAB仿真验证了改进协议较EEUC协议更能延长网络寿命。

关键词:EEUC路由协议;剩余能量;通信代价;路由协议

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2017)08-0039-03

1概述

近年来,由于物联网的发展与应用,无线传感器网络(Wireless SensorNetwork,WSN)受到了国内外学者的广泛关注,WSN通过大量分布于不同区域的传感器节点感知、收集信息并分析处理,进而实现对远程目标的监控,是集信息采集、传输与处理于一体的综合智能信息系统。传感器节点体积小,能够携带的能量有限,所以选择一种合理的路由协议,降低能耗,延长整个WSN的生存时间是当前WSN的主要研究方向之一。

层次路由协议因能量利用率高、网络拓扑易于控制、数据融合技术应用其中等特点聊,整体性能优于平面路由协议,因而它在WSN网络中得到广泛研究与应用。LEACH协议是最早提出的层次路由协议,该协议设定一个阈值,每个节点通过一个0到1间且大于阈值的随机数决定簇头并进行分簇,当没有考虑网络簇头的分布均衡和簇头间路由。李在分析分簇路由基础上提出了EEUC协议,利用节点与基站的距离不同来决定簇的大小,距离基站近的成簇半径小,以便腾出更多能量进行路由转发,当节点剩余能量高于半径内其他节点则能够当选簇头。EEUC协议虽然解决了均匀分簇中担任路由节点的簇头能耗过大、全网能耗不均衡等问题,但没有很好的考虑簇内成员节点数量以及通信代价等问题。

本文针对非均匀分簇协议EEUC的不足,对EEUC协议进行改进。改进协议利用节点与基站的距离、节点相邻节点数量来决定成簇半径,综合考虑节点剩余能量、节點相邻区域节点数量和成簇通信代价以及到基站的距离等因素进行分簇。在中继路由节点的选择上,除了考虑簇头选择的因素外,还增加中继节点数和传送信息次数作为参考,优化路由节点选择协议,均衡路由节点通信能耗。

2参数设计与计算方式

2.1非均匀竞争半径计算方式

半径的大小决定该簇内节点数量或簇内通信开销,因而针对EEUC协议在竞争半径的确定中只考虑节点到基站距离的不足进行改进,加入节点相邻节点数量因素。改进算法的竞争半径计算公式如下:

(1)

其中,dmax和dmin分别为网络节点距离基站的最大和最小距离。di为节点i与基站距离,Nmax为最大节点数量,Ni为节点i相邻节点数量,为大于0小于1的参数。R0为最大竞争半径。

2.2簇头选择阈值定义

簇头的选择不应该仅仅由剩余能量来决定,还应该综合考虑成簇半径内节点数量、各节点到簇头的通信代价以及簇头与基站的距离等因素,以确保簇内节点不能过多或通信距离过远而增加能量损耗。所以簇头选择阈值Tnew定义如下:

(2)

(3)

其中a+b+e=1,En为节点i当前剩余能量值,EA为网络平均能量。由公式可知,节点乘0余能量越多当选簇头概率越大,距离基站越近、节点相邻区域节点数量越大且簇内通信代价越小越容易成为簇头。

2.3路由阈值定义

路由节点担负则中继信息传递的重任,若能量过低或频繁的承担中继任务都会导致该节点过早失效,因而,簇头在选择路由节点时除了考虑剩余能量等综合信息外,还要考虑该路由节点为多少个簇头传递消息给基站,传递了多少次消息等。因此,路由阈值的定义为:

(4)

其中,β+γ+ω=1,Nr为中继节点服务簇头数量,nr轮数,ni为中继路由担任次数。当服务簇头个数M越大,该节点添加新簇头的概率越小,传递的信息越频繁,成为中继路由的概率就越小。以此来降低中继节点的能量损耗。

3协议设计

在网络部署开始阶段,基站BS首先要向网络发送广播信号,每个节点根据接收到的信号强弱计算自己与基站的距离,用于计算节点组网半径。本节分别对簇头竞选、分簇和簇头间通信路由选择两个部分对改进协议进行描述。

3.1簇的建立

第一步:首轮所有节点根据接收到的基站广播信息获取到dmax和dmin信息并计算出自己的成簇半径Rnew

第二步:判断节点剩余能量是否大于平均能量,如果是则根据自己的计算出来的成簇半径Rnew广播自己的簇头竞争阈值Tnew,否则节点进入睡眠等待簇头节点唤醒成簇。

第三步:所有竞争簇头的节点根据接收到的Tnew值决策是否成为簇头。若相邻的节点Tnew值比自己高,则判断其是否成簇头,若成则直接加入该簇,否则自己成为簇头。

第四步:竞争过程结束后,簇头节点广播成簇信息,未参与竞争的节点被唤醒,选择距离自己最近即通信代价最小的簇加人。并建立簇内时分复用时隙通信机制,所有簇头收集并进行数据融合才向路由节点或BS发送数据,减少能耗。

在首轮过后并非每轮都进行分簇,也不是全网所有节点都重新分簇,而是簇头节点能量En小于平均能量匠的簇重新选择簇头,需要重新分簇的节点根据上面2到4步重新进行非全局分簇。如此小范围的重新分簇,即减少需要组网节点数量,较大程度提升了成簇速度,又降低了因全局分簇而导致的能量不必损耗,优化网络能量。

3.2簇间路由选择

簇头节点除了负责本簇内成员信息的收集与融合,还有可能担任其他簇头与基站通信的桥梁即中继节点作用,因而每个簇头还要设置两个参数,一个是几个节点通过自己向基站方向发送消息,另一个是自己发送了几次消息。引入一个阈值D,若簇头节点与基站的距离小于D,则直接与基站进行通信,否则通过多跳与基站通信。簇头节点在选择基站方向上那个节点作为自己的中继节点时,根据接收到的Eroute信息中选择最大的節点作为自己的中继节点。若有信息通过自己发送向基站发送消息,如果是首次接收到该节点的消息,则增加自己的Nr值和ni值,否则只增加ni值。如此,某个簇头节点的Eroute值越大,表明其剩余能量越多、为其他节点担任中继节点的数量越少或中继发送的消息量少等,被新节点作为中继节点的概率越大,反正,该节点越不容易增加新中继信息,从而达到均衡中继节点信息量,优化节点能量损耗,延长节点寿命的目的。

4实验与分析

4.1仿真参数设置

本文通过Matlab对改进的分簇协议、经典EEUC协议和LEA CH协议进行模拟仿真。实验有关参数设置如下表1所示,协议中其他参数的取值均通过多次模拟运行后取较优的值。

4.2实验与分析

将200个节点随机分布在200*200的区域中,分别使用LEACH协议、EEUC协议和改进协议进行仿真模拟。图1给出了改进协议在200轮网络节点以及簇头节点分布情况。其中,“0”表示普通节点,“*”表示簇头节点,sink基站在左下角原点。

由簇头分布情况可以知道整个网络簇头节点分布还算比较均匀,没有簇头节点过于集中或某些区域无簇头节点的情况。

图2和图3分别给出了EEUC协议在343轮和改进协议在456轮死亡节点情况,EEUC协议死亡节点分布还是比较均匀,没有出现集中在某部分区域情况。改进协议在450轮节点死亡数量还是不太大,但在460轮以后节点开始快速死亡,导致整个网络迅速瘫痪,由图3看出,改进协议节点死亡会比较集中而且迅速扩散至全网。

图4给出了LEACH协议、EEUC协议和改进的EEUC协议的仿真比较图,由于节点能耗不均衡,LEACH协议在120多轮的时候开始有节点死亡,在250轮左右节点死亡过半,到500轮左右节点几乎全部死亡,节点开始死亡到全部死亡跨度比EEUC协议和改进协议都大。EEUC协议自270轮左右出现节点死亡情况,在360轮到430轮区间节点迅速死亡,网络瘫痪。而改进的EEUC协议,在430轮左右出现死亡节点,在470轮节点几近全部死亡,跨度较小,也体现出了网络能耗相对比较均衡。因而,改进的EEUC协议有效的均衡了网络能耗,延长整个网络寿命。

5结束语

本文对非均匀分簇EEUC协议进行研究并提出改进,改进协议通过节点与基站距离、相邻节点数量两个因素来决定成簇半径。改进协议的分簇阈值综合考虑了节点剩余能量、相邻节点数、簇内通信代价以及节点与基站距离等因素,使得簇头选择更加合理分布更均衡。中继路由节点的选择上,除了考虑簇头选择因素外,还添加了中继节点数量和信息量两个因素,优化各中继节点通信信息量,均衡中继节点能量损耗。仿真结果表明,改进的协议更好的优化网络分簇,均衡路由节点通信信息量,提升网络能量利用率,延长网络寿命。

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