一种能量有效的WSN分簇路由协议

王飞飞 胡海峰

摘要：在对现有分簇路由协议进行分析的基础上，提出了一种新的能量有效的分簇路由协议EECRP，该协议从簇首选举、簇的形成以及数据传输构建簇间路由三方面进行改进。基于节点当前剩余能量与节点间的相对位置选择簇首，普通节点根据簇首发出的信号强度选择合适的簇加入成簇，数据传输时将节点当前能量与最小跳数思想结合起来，形成能耗小的簇间路由。仿真结果表明，该协议可以有效地均衡节点能耗，延长网络生存周期。

关键词：无线传感器网络；分簇；能量有效；最小跳数

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）32-0049-02

1 引言

在无线传感器网络中，节点的能量是影响网络运行的重要因素，在对WSN的诸多研究中，节点的能耗问题一直是研究的重点，如何有效地利用节点、降低节点能耗是研究的关键所在，其中节能分簇路由协议的研究与改进是一个重要方向。在已有的分簇路由协议中，最早提出的是LEACH[1]协议，与传统的静态分簇协议和多跳路由协议相比，提高了数据发送效率和网络寿命，但是由于随机选择簇首、一跳通信等缺陷导致扩展性较差。而HEED [2]通过节点间交互动态并在考虑节点剩余能量的基础上产生簇首，改进了成簇速度与簇首在网络中的分布状况，但是HEED簇首产生时需要在簇半径内进行多次消息迭代，通信开销比较大，同时两种协议均未考虑簇首节点冗余覆盖问题，网络区域内生成的簇首可能较多。通过对经典协议与近期的研究分析[3-5]，本文提出了一种新的路由协议EECRP，该协议综合考虑节点的当前剩余能量与节点间的位置产生簇首，成簇时依据簇首能量与节点到簇首的距离，路由构建传输数据时引入最小跳数路由思想。该协议可以均衡节点能耗，减少数据传输时延。

2 网络模型

在实际网络区域内，为了避免出现独立簇首，实际半径r应大于理想半径，可确定为r=c*R（c>1），簇首选择开始，汇聚节点发送广播信息，信息中携带网络内节点的平均能量EA，如果某节点当前能量ER大于平均能量EA，则根据ER为其确定一计时器，原则为ER大的节点该值较小，节点开始倒计时，所有节点均标识为候选簇首状态1。以节点S为例，其倒计时结束前收到其他簇首的信息则直接停止计时，其状态由1改为普通节点状态0，如果倒计时正常结束则设置其标识为2（簇首），簇首选择成功后，以实际半径r为发射功率发送包含节点ID与标识的广播消息。

簇首发出携带ID与标识的广播信息后，该区域内的普通节点可能收到来自多个簇首的信号，节点根据信号强度计算自己到各簇首的近似距离，由于当选为簇首的节点其剩余能量大于全网节点平均能量，因此直接选择距离自己最近的簇首发送请求加入信息MSG，此消息包括节点的ID和选择加入的簇首ID，簇首根据接收的MSG进行成员节点统计，并为每个簇内成员分配时隙信息，并在其中加入对节点请求信息的确认。如果超出时间限制未收到任何信息，则重新选择簇加入。

3.2簇间路由构建

构建用于数据传输的簇间路由时，将最小跳数路由与MTE算法相结合，首先获取簇首节点到汇聚节点的最小跳数与其相邻的簇首集合，然后确定候选中转路由簇首。

只有当[d2（Si，Sj）+d2（Sj，Sink）]< [d2（Si，Sink）]时，才能真正减轻能耗，邻簇首节点集合确定后，需要在其中选择候选路由簇首。首先汇聚节点以临界值86.2广播消息，其中包括跳数NHop，初始值为0，簇首CHM接收到该消息后，执行CHMNHop=CHMNHop+1，并将Sink节点加入其邻簇首集合CHM.NCH，然后CHM以临界值继续发送包括其ID、NHop以及剩余能量的广播信息。簇首CHN接收到信息后，将两个节点的跳数值进行比较，如果CHN的跳数小于CNM的跳数加1，则CHN的跳数保持不变，其邻簇首集合不更新；否则CHN的跳数为CHMNHop加1，且在CHN的邻簇首集合中加入CNM。在具体进行数据传输时，每个簇首节点在其邻簇首集合中选取当前剩余能量最大的节点作为中转节点，该方式可以减少时延、均衡节点能耗。

4协议仿真及分析

4.1 仿真说明

本文采用OMNeT++平台对EECRP与LEACH、HEED三种协议进行仿真分析。假定有400个节点，随机部署在（x=0，y=0）至（x=200，y=200）的区域内，具体参数数值如表1：

4.2 仿真结果分析

该协议中，实际半径r=c*R，c为大于1的值。由图1可知，c的取值范围在1.0与2.0之间时，第一个节点死亡时间先上升后下降，在1.6时第一个节点死亡时间最晚，因此c取值为1.6。

图2为三种协议的节点个数随时间轮次的变化图，图中可知EECRP的第一个节点与最后一个节点死亡时间差最小，且能量耗尽的时间较晚，因此该协议可以较好地均衡全网节点能耗，延长网络生存周期。

5结束语

本文在对分簇路由协议进行分析研究的基础上，形成一种改进的分簇路由协议。该协议选择簇首与成簇时考虑到节点的剩余能量与节点间的相对距离，使剩余能量多的节点优先成为簇首，普通节点选择距离自己较近的簇首加入成簇，可以减少数据传输消耗的能量，簇间路由构建时借鉴了最小跳数路由算法思想，能够选择合适的簇首作为中转路由节点，可以有效地均衡能耗，延长网络生存周期。

参考文献：

[1] HeinzelmanW， Chandrakasan A， Balakrishnan H. An Application Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2002， 1 （4）： 660-670.

[2] Younis O，Fahmy S.Heed：A hybrid，energy-efficient，distributed clustering approach for ad-hoc sensor networks[J].IEEE Trans.on Mobile Computing，2004，3（4）：660-669.

[3] 李新春，高佰胜.基于最优簇数和改进引力搜索的 WSN 路由算法[J].计算机应有，2017，37（12）： 3374-3380.

[4] 徐晶晶，张欣慧，许必宵，等.无线传感器网络分簇算法综述[J].计算机科学，2017，44（2）：31-37.

[5] 马 礼，朱大文，马东超，傅颖勋，张永梅.一种无线传感器网络能量感知路由协议[J].计算机工程，2017，43（12）：124-129.

[6] W.R. Heinzelman， A. P. Chandrakasan， H. Balakrishnan. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks. IEEE Trans. on Wireless Communications， 2002， 1（4）： 660-670.

【通聯编辑：光文玲】