摘 要: 节能问题是 的研究热点之一，而路由协议对网络能耗有直接影响 在对已存在的分簇多跳路由协议进行分析的基础上，提出了一种考虑多种因素来均衡节点能耗的分簇多跳路由协议 协议中，选择中继簇头时综合考虑了邻近簇头相对自身的距离和方向; 加入经验因子使簇头概率随节点与 的距离成负指数变化; 中继簇头进行一定时间的等待以便数据融合，等待时间与它到 的距离成反比; 另外，还通过仿真确立了较优的轮转周期 仿真实验结果表明，协议能够使 网络第一个节点的死亡时间明显延后，节点能耗更均衡，生命期更长
关键词: 无线传感器网络; 能耗均衡; 分簇路由; 距离和角度; 轮转周期
无 线 传 感 器 网 络 () 是由大量具有一定计算和通信能力的传感器相互协作而形成的网络 在军事国防工农业环境监测医疗卫生智能家居抢险救灾等领域有巨大的实用价值 部署环境常常较特殊，如野外战场科考救灾环境，常常采用节点随机撒布的方式进行布置 由于很难对节点充电以及受成本和体 积 的 限 制，节 能 是 需要高度重视的问题［］科学合理的分簇路由协议，可 以 减 少 通 信量通信冲突和传播时延，提高信道利用率和能量效率，均衡节点能耗以及延长网络寿命［］本文以理想环境为背景，暂不考虑信道干扰通信冲突和网络环境变化等因素
分簇多跳路由协议利用簇结构，进行局部管理和数据处理，减少了通信量和协议复杂性，相对于平面路由算法有更好的适应性［］; 与节点直接传递数据到 ( 汇 聚 节 点) 相 比，多跳路由方式更为节能 协议［］的分簇机制采用最小 分簇算法，计算简单实现方便算法收敛较快，但该机制没有考虑负载平衡 协议［］选择中继节点时考虑了选择距离最近的节点; 基于不均匀分簇的协议的改进研究方案［］还考虑了当中继簇头与 距离较近时，将数据直接传输给 ，但它们都没有定量考虑传输的方向 算法［］采用分层机制调节簇头概率，均衡和减少了中继负担，但分层以及预设层宽度不一定符合网络实际部署情况 基于时间片的低功耗分簇算法［］采 用 定 期 重新分簇的方法来均衡能耗，但没有对轮转周期进行仿真研究; 该算法还将阈值函数 ( ) ( 见下文) 乘以能量比例因子 ( 为当前节点能量，为节点初始能量) 来均衡能耗，这样可以减小能耗高的节点再次成为簇头的概率，但网络在长期运行后，整体簇头比例会降低［］，减少了 的覆盖范围并增加了簇头间的中继距离()
协议对以上问题进行了研究，提出了改进成簇概率簇间路由和轮转周期的方法，同时加入了便于数据融合的等待机制，形成了新的路由协议
相关知识
能耗模型簇头节点接收簇内数据的能耗如式( ) 所示( ) ( )在不考虑中继数据的融合时，簇头接受中继数据的能耗如式( ) 所示( ) ( )中，通常根据节点发送数据的距离，节点发送数据能耗分别采用自由空间能耗模型( 式( ) )和多路衰减模型( 式( ) )［］( ，)( )( ，)( )以上公式中，表示数据包长度， 表示无线收发电路处理单位数据所消耗能量，用同一个值表示，表示簇内节点数， 表示单位数据融合能耗，与 分别表示两种能耗模型的功率放大系数，协议的分簇机制协议［］是典型的分簇路由协议，簇 内节点采集数据后发送到簇头，簇头将其直接转发到协议思想是轮转地以随机方式选择簇头节点，将能量负载近似均匀地分配到每个传感器节点，从而降低网络能耗和延长网络生存时间协议中，节点成为簇头的概率与节点数簇头比例和轮数有关，具有一定的随机性 基于网络能耗最小的原则考虑，通过数学推导和仿真实验，一般取簇头比例为［］传感器节点 随机生成一个( ，)之间的随机数，并且与阈值函数( ) :( )［ ( ) ］( )作比较，其中 为簇头比例，为已完成的轮数，为在最近的 轮中未当选簇头的节点集合 如果随机数小于该阈值，则该节点当选为簇头 ( )的设计可以保证每个节点都可以在连续的 轮中有一次成为簇头，从而均衡了能耗 簇头广播自身消息，接收到该消息的普通节点与距它最近的簇头形成簇 该成簇机制具有计算简单交互信息少能耗较均衡的优点簇间路由中，为了避免相互 干 扰，簇内的通信频率与簇间的通信频率往往不同［］数据直接在相邻簇头之间中继转发而不通过簇间网关的方式存在发送距离较远，能耗较高的缺点，但簇内节点不需要充当网关，协议较简单在无线环境中，选择下一跳进行中继实际上是协调安排合适的邻居节点进行数据接收 处理和转发 根据能 耗 模 型，下一跳节点的距离越近越好但当中继节点距离过近时，中继的总能耗可能会大于两节点直接通信的能耗 不过在现实环境中，中的节点常常采取随机撒布的方式，两簇头距离很近的可能性很小［］数据融合比例针对节点能量有限通信能耗节点有冗余数据有相关性数据包头开销大等特点，数据传输时宜采用数据聚合过滤等融合技术［ ］簇内的节点距离较近，采集到的数据具有很高的相似性，因此簇头进行簇内数据融合时融合比例会高些; 而对于簇间中继的数据，因为它们来自相隔较远的位置，相互差异较大，如果进行融合，融合的比例要小很多，有时甚至只是将几个数据包合并成一个长的数据包，用一个包头( 和包尾) 来减少数据包的长度 但这时如果转发失败，重传的代价较大轮转周期及其改进协议中，网络运行一定时间后重新进行分簇，该轮转周期是约定的 实际上，当轮转周期较短时， 的轮转速度变快，重新分簇的能耗比重增加; 而当轮转周期较长时， 很可能在较长时间处于能耗很不均衡的簇结构，造成部分节点过早死亡 轮转周期对节点能耗和网络生命有很大影响协议针对 的特点，路由协议应该遵循: 区域自治冗余数据融合路由时尽量根据局部信息进行选择计算复杂度低以及简单实用等原则协议的设计兼顾了以上原则 它采用与协议相同的分簇方法，但是阈值函数( ) 乘以经验因子使簇头概率随节点到基站的距离变化; 簇形成后，簇内节点采集数据，直接发送至簇头; 簇头等待一定 时 间( 与它到基站的距离成反比) 后 选 择( ) 值( 参见第 节) 最大的邻近簇头进行转发，直至数据到达 以下分别予以阐述:随距离变化的簇头概率因为承担中继任务，越靠近 的簇头的能耗越大 如果越靠近 的区域簇头越多，就可以均衡和减 少 中 继 能 耗 因 此，簇头概率应与节点到的距离成反比例关系 但簇头比例过高会导致平均簇规模减小，削弱了分簇的优势，特别是降低了簇内数据的融合效率 因此，经验因子的选取应当适中直接推导出较优的簇头概率与距离的连续变化关系较难，而且也不一定符合实际 协议采用经 验 公 式 的 方 法 协 议 的 成 簇 方 法 与协议相同，但对 协议中的阈值函数( ) 乘以经验因子，通过改变阈值，使簇头概率随距离连续变化假设整个网络区域的半径为 ，是 节 点 与的距 离，采 用 ［( ) ］ ( )( )( ) 等各种距离 的反比例函数因子进行不同随机数种子下的多次仿真实验，仿真结果表明，当经验因子为( )，即:( )［ ( ) ］( )( )时，在本文的仿真环境中网络运行情况最佳( 参见第 节) 通过式( ) 可以看出，距离 越远的节点，簇头概率变化越小，甚至没有变化; 而距离越近的节点，簇头概率越高，最高时概率增加了 倍便于数据融合的等待策略根据上文分析，中继数据的融合有利有弊 中继数据的融合比例与实际网络拓扑有关，不宜采用统一的融合比例进行仿真实验 协议中考虑到了中继信息的融合，设计了等待机制，但中继数据的融合比例仍设为 ，为协议留下了发展空间; 而簇内数据进行融合，融合比例设为簇头节点进行数据发送的时刻设置为与它和的距离成反比，发送时隙到来后将簇内节点采集的数据和其他簇头转发来的数据一起发送 距较远的簇头等待时间较短，距 较近的簇头等待时间较长，以便中继簇头对更多的簇间数据进行融合 代价是靠近 的节点采集的数据不能及时传送到 ( 可以通过为重要信息设置更高的优先级及时进行中继来解决该问题) 以及需要更大的存储空间来保存中继信息 本文的仿真环境中，协议使用的等待时间 为:( ) ( )其中 为节点到 的距离，时间单位为 和起调节作用，可以取其他值 针对不同的网络环境以及时延要求，可以设置不同的等待时间根据应用环境对时延的要求，等待策略可选择性地采纳综合考虑距离角度的路由在簇内， 协议采用与 协议相同的节点单跳传输数据至簇头的路由方式在簇间， 协议采用数据包直接在相邻簇头间中继转发的方式 簇间中继时，下一跳簇头的选择，除了 与 间 距 有 关，实际上还与方向有关［］以图 为例，簇头 是距簇头 最近的下一跳簇头，且 的距离与 的距离相等，但 到 的方向更接近于 到 的方向，方向用 到的连 线 与 到 的 连 线 的 夹 角 表 示 在中，该角度可以通过定位技术计算出来 显然选择比选择 理想 选择角度小的节点作为下一跳，从整个网络来看，有助于减少中继跳数和通信冲突综上，簇间路由应该选择距离近且角度小的节点因此，可以以( ) ( )的值作为选择中继簇头的度量标准，其中 为上述的夹角，是整个区域的半径，为节点到 的距离 夹角 越小， 越大，整个值越大; 作为分母是为了让距离的影响与角度的影响的权值相同 选取比值最大的簇头节点作为下一跳为了减少距 较近的簇头节点的中继负担，协议还将一跳可达 的节点都设为单独簇头 单独簇头没有簇内节点，只承担( 采 集 任 务和) 中继任务; 靠近 的较多单独簇头均摊了该区域较重的中继负担 如图 中，距离 很近的两个节点都设置成为了单独簇头，它们将数据包直接发送给仿真实验确定较优的轮转周期协议 中，簇内节点采集并发送一次数据，簇头就转发一次数据 现给出新的一轮和轮转周期的概念:一轮: 网络中的节点每间隔一段时间采集并发送一次数据，簇头节点接收到数据后，转发到合适的中继簇头，直到数据到达 的这一过程轮转周期: 在两次分簇间运行的轮数为了利用轮转方法来均衡节点能耗， 协议通过仿真实验研究了在其他参数不变的情况下，不同轮转周期对网络的硬性，从而确定了较优的轮转周期不同的网络环境中，理想的轮转周期也不同仿真比较与分析仿真环境本文使用的仿真工具是 ，仿真参数配置如表 所 示 根据服务质量与节点数的关系［］，并考虑边缘效应来设置一定区域内布置的节点数 节点在区域中随机均匀分布，以便区域的每一部分都有工作节点表 仿真参数参数 参数值网络大小节点数位置 ( ， )( )( )初始能量数据帧大小广播帧大小比较指标生命期: 从 开始运行到有一半节点能量耗尽的时间 这种定义方法比较普遍，判断简单而且便于协议间进行比较仿真实验中每 采集发送并转发一次数据到 ，每轮的时间为 网络的轮转次数等于网络的生命期与 的比值 需要说明的是，协议执行过程中，节点随时可能死亡 因此，仿真过程中只要有节点死亡，就会对存活节点数进行判断中，能量消耗快的节点会先死亡，进而对网络拓扑造成影响 节点间能耗越均衡，越有利于延长网络的生命期和采集与发送更多的数据包 现给出拐点的定义:拐点: 中存活节点数随时间变化的仿真曲线上，节点死亡速度突然加快的时间点有些协议执行过程中，节点能耗的时间差别大，没有明显的拐点 有拐点存在，说明协议具有更好的能耗均衡性能 对于有拐点存在的协议，拐点出现越晚，反映了协议具有更好的均衡能耗能力拐点是一个参考指标，不需要严格确定其位置一般可以通过观察仿真曲线确定: 拐点前仿真曲线下降较平缓而拐点后仿真曲线下降很快下面给出拐点的数学定义 中，时刻处存活节点数随时间变化的一阶导数的右极限 ( ) 反映了存活节点数在时刻变化的快慢假设认为平均 死亡一个节点为比较快的节点死亡速率，拐点为满足下列公式的时刻 :( )( )( )综上，协议间采用的比较标准包括第一个节点死亡时间网络生命期及经历轮次存活节点数随时间变化的曲线的平缓程度有无拐点以及拐点出现时间等仿真比较和分析图显示了簇间转发数据时只考虑距离与综合考虑角度和距离的分簇路由协议的仿真结果对比，具体数据比较如表 中第 行所示仿真表明，生命期和轮次都增加了约 ; 前者网络中存活节点数变化较快，后者变化较缓; 前者没有明显拐点，后者拐点出现在第 左右，即第 次发送数据前能耗都比较均衡 簇间路由时综合考虑角度和距离后，减少了数据包的平均传输跳数，能耗更少表 仿真实验数值协议第 个节点死亡时间第 个节点死亡时经历轮次生命期 经历轮次在综合考虑角度与距离的路由协议基础上阈值函数乘上经验因子可以增加了靠近基站的簇头比例，均衡和减少了节点的能耗 但如 节讨论，经验因子的选取应当适中 图 显示了经验因子取不同值( 图中只显示了部分) 时 的仿真情况，其中 为整个网络区域的半径，本实验仿真环境中取，是节点与 的距离通过多次仿真实验发现，在本文的仿真环境中经验因子是较优的经验因子图中，仿真曲线 显示的是在综合考虑角度与距离的路由协议基础上加入较优的经验因子( )后的仿真情况，具体数据比较如表 中第列所示 加入经验因子后，生命期和轮次都增加了约 ; 拐点出现时间推迟到第 左右，即第 次发送数据后死亡才变快 可见，经验因子的作用明显通过对簇头密度簇间路由的优化， 在传输数据时具有较好的数据传输性能 在 运行一段时间 后，需 重 新 分 簇 改 变 轮 转 周 期 的 大小，如 等 仿真发现，当时网络拐点出现时间最晚而且生命期最长 图显示了轮转周期 分别为 时网络中存活节点数变化情况 因此，在本文的仿真环境中，理想的轮转周期为 轮综上，图和表 中第 行表示了原协议与改进后的协议 的仿真比较协议比 协议能耗均衡很多，第一个节点死亡时间由第 变为第 ，生命期和轮次都增加了约 ，有拐点存在且出现很晚( 第 左右) ，在拐点前存活节点数变化较小，网络的能耗更加均衡 总之， 协议的能耗均衡，网络生命期增长明显
总结
本文提出了一种能耗均衡的分簇路由协议该协议在簇头概率中继簇头选择数据融合和轮转周期方面做了改进或设计，计 算 比 较 简 单仿真结果表明， 协议的能耗性能良好，具有一定的理论和应用价值 能耗均衡的分簇路由协议是保证 服务质量的前提之一 簇间中继数据的融合比例与数据的相似度有关，而相似度又与数据来自的节点的拓扑分布相关，可据此对该协议进行仿真研究，但计算复杂度不宜过高
参考文献:［］王海涛无线传感网络中的分簇协议综述［］传 感 器 世 界，，:［］郑国强，李健东，周志立无线传感器网络 协议研究进展［］自动化学报， ，( ) : 金鑫，郭虹，刘洛琨移动 网络中 路由协议仿真分析［］通信技术， ，( ) :［］顾明霞无线传感器网络的 算法改进与仿真研究［］计算机仿真， ，( ) :［］王爱美，王喆基于不均匀分簇的 协议的改进研究方案［］数据通信， ，:［］周冬鑫，金文光，容志能基于分层的无线传感网络多跳分簇路由算法［］传感技术学报， ，( ) :［］王良 明，廖 闻 剑无线传感器网络可生存理论与技术研究［］人民邮电出版社， : 杜向党，李亦洋，石秀华无线传感器网络基于类的簇头选择算法改进［］传感技术学报， ，( ) :［］李 任 发，罗 娟，肖 玲，等无 线 传 感 器 网 络 与 实 现［］湖南大学出版社， 谢志恒，张向利，何龙，等基于距离和角度的无线传感器网络路由方案［］计算机工程与应用， ，( ) :［］邓曙光，沈连丰，陈新辉，等大规模无线传感网中基于能耗均衡的按需 协议［］电路与系统学报， ，( ) :
