无线传感网络分布控制汇聚协作节能算法

对网络监测的区域进行环形划分，进行非均匀的部署控制，让较靠近汇聚节点区域的传感器节点分布密度大于较远区域，使单位周期内每个环形区域节点协作多跳通信以平衡区域能耗、优化数据传输路径提高节点能量利用效率。仿真表明该算法对减小传输能耗、均衡网络能量有较好效果。

作者简介：

邵玉成（1985年—）, 男, 安徽颍上人, 工学硕士, 主要研究领域为无线通信测试技术, 物联网技术。主持或承担过多项国家科技重大专项（03专项）、电子测试技术安徽省重点实验室资助项目。

凌云志（1976—）, 男,安徽巢湖人, 学士, 中电科仪器仪表有限公司部门主任, 主要研究领域为移动通信测试技术, 物联网测试技术。发表论文多篇, 主持或承担过多项国家科技重大专项。

孙昊（1980年—）, 男, 安徽蚌埠人, 学士学位, 中电科仪器仪表有限公司高级工程师, 主要研究领域为移动通信测试技术, 物联网测试技术。发表技术论文多篇, 主持或承担过多项国家科技重大专项。

引言 

在无线传感器网络中，如果监测区域内的节点均匀分布，当采用多跳转发的方式向汇聚节点发送数据时，离汇聚节点较近的传感器节点需要承担较多的外围节点数据转发任务，其能量消耗就较大，容易引起该区域节点的能量过早耗尽而死亡。在WSN中，特别是针对无线传感网络技术研究及应用实践中^[3-5]，如何使网络能量比较均衡并最大限度地提高节点能量的利用效率对于网络的性能有着很大的影响。本文在现有分簇算法研究基础上，提出基于节点非均匀分布的分簇协作多跳路由算法（CorMulti-hop Agrithm），并对该算法的性能进行了仿真评估。

1 相关研究

针对WSN中“热区”以及节点能量利用效率较低的问题，许多学者对其进行了研究并提出了不同的方法。文献的实验结果表明：在节点均匀分布的无线传感器网路中，由于部分承担过重转发任务节点的提早死亡，导致网络能量的利用率非常低，甚至不足10%。文献证明了在网络节点均匀分布的网络中，“热区”问题是难以避免的。文献提出了采用异构的传感器节点来解决“热区”问题，在网络的不同区域中，节点初始能量不相同，承担更多转发任务的汇聚节点周围的传感器节点具有更多的初始能量，这样就可以拿出一部分能量供数据转发使用，来保证每一个网络节点有近似相同的生存周期。文献对于网络能量消耗不均衡以及生存周期较短问题，提出了一种混合式控制策略，对监测区域进行同心圆环划分，利用算法分配圆环内一部分节点与Sink节点进行直接通信，其他节点通过多跳的方式把数据传送到Sink节点，根据算法调节这两部分节点数目的比例。相关优化协议^[11-12]采用控制性节点布局，普通节点在选择簇进行加入时，综合自身到簇首的距离以及簇首到Sink节点的距离等因素进行选择。这样既考虑了节点自身的能耗，也考虑了作为中继节点簇首的能耗，构造出的大小非均匀的簇，可缓解簇间能耗不均衡的问题。

本文在相关研究工作的基础上，提出一种基于LEACH的节点控制分布及通信协作多跳的路由协议算法。该算法的设计思想：平衡网络区域的能耗，采用节点非均匀部署策略；在簇首选举阶段，采用与LEACH相同的方式选举出预选簇首，之后进行簇内竞争，让竞争代价最小的节点成为正式簇首，有利于局部能耗的均衡；采用簇间协作多跳的传输方式把数据传送给汇聚节点，并在建立簇间多跳路由时综合考虑节点的能量和通信代价，以节省传输阶段的能耗。

2 网络节点的非均匀分布控制

2.1网络模型与假设

文章假设网络的监测区域为圆形，所有的节点是同构，且节点的初始能量（近似）相等，均为Eore，汇聚节点位于监测区域的中心，传感器节点采用控制式非均匀部署；簇首对簇成员的数据进行融合处理，对同级数据转发采用bypass方式；节点Tx power皆可自行调整。

节点分布控制策略：

1)半径为R的圆形区域划分为M个同心的圆环，如图1，区域记为{Ci1,Ci2,…,Ci0}，圆环的外侧边到圆心的半径记为{ρ1,ρ2,…,ρ0}。总数为N的传感器节点平均分布在各圆环中，用Ni表示第i层圆环中传感器节点的数目，则N1=N2=…=NO=N/O，且N1+N2+…+N0=N；

2)每层圆环中，节点依概率P当选为簇首，每层圆环内的簇首数目Ni_ch近似相等，即N1_ch=N2_ch=…=NM_ch=P×N/O；

3)数据传输阶段，外层环中的数据通过选择内层环内节点作为中继，逐层转发，传递到汇聚节点,内层环的节点密度要大于其相邻的外层圆环节点密度。

图1 节点非均匀部署与网络划分示意图

2.2网络节点的能耗分析

采用与文献相同的能量消耗模型，节点发送数据的能耗ETX包含电路能耗、信号放大能耗，与传输的距离相关，当传输距离较近时，采用自由空间消耗模型，否则采用多径衰落模型。

节点接收l比特的数据能耗为：

   （1）

节点进行数据融合处理的能耗为：

   （2）

其中，E_dpb表示每比特数据融合处理的能耗；m为融合处理的数据包的数目。

在圆形网络模型中，每层圆环内节点数相等，但宽度不相同；圆环内的簇数目相同但簇的半径不同，离Sink节点较近的圆环具有较大的节点分布密度。假设圆环Ci中的节点分布密度为ρi，则从最里层的圆环C1到最外层的CO节点分布密度逐渐下降，即：ρ₁>ρ₂>…>ρ_i>…>ρ_O。

（1）圆环中的簇半径R_ch：

假设圆环C_i的面积为S_i，节点的最大通信半径为r_max，则根据网络覆盖的连通性要求，以及节点的物理条件的限制，圆环C_i的簇半径R_{i_ch}需要满足：

   （3）

这是因为在环Ci中，要完全覆盖，就使每个簇的覆盖的面积≥S_i/N_{i_ch}，这里假设：

   。      （2）

第i层圆环簇内成员节点到簇首节点的距离平方的期望   ：

（4）

假设簇的面积为Si_ch，可知簇内节点分布的概率密度ρ为：

   （5）

从而：

（6）

（3）第i层圆环中的簇首节点到圆心汇聚节点的距离的期望E(di)：

（7）

其中，r0=0, 1≤i≤M。

（4）第i层圆环中的簇首节点到第i-1层圆环中的簇首节点距离di的期望E(Δdi)：

（8）

（5）最外层环采集一帧数据的总能耗E_O为：

   （9）

（6）非最外层圆环C_i的能耗E_i，包括本环内的数据发送能耗E_{i_self}和外层环数据的转发能耗E_{i_fw}：  

   （10）

其中，d0为空间传输距离常数。当Δd_i<d₀时，n取2，ε取自由空间衰减系数ε _fs；否则n取3，ε取多径衰减系数ε _mp。

由节点的初始能量E_ori和每层圆环中节点的数目可知，每层圆环中节点总初始能量相等均为E_ori×N/M。为了实现每层圆环中节点的能耗均衡，避免能量空洞的出现以及提高网络的生存周期，节点的拓扑应：

   （11）

根据要求调节每层环的面积，即调节圆环半径ri，便可实现每层环内节点的能耗均衡。

2.3节点分布控制分布协作分簇路由算法（CHMA）

2.3.1 簇首的选举

预选簇首的选举和经典LEACH算法类似，当预选簇首确立之后，建立相应的簇。再依k（是常数，为节点剩余能量对竞争代价的影响程度，本文中取k=1）的选择，进行一次簇内的竞争，竞争代价最小的节点成为最终的正式簇首，竞争代价考虑节点的剩余能量和其到预选簇首的距离，为：

   （12）

具体竞争步骤为：

1）按照随机算法产生网络预选簇首；

2）节点等待其他簇首的广播消息，并根据接收消息的信号强度确定加入簇。如果在一定的时间内未接收到簇首的广播消息，则自己宣布成为簇首；

3）预选簇首广播Msg消息，该消息包括自己的ID和剩余能量Ei；

4）其它节点j根据接收信息的信号强度选择加入簇，并计算与预选簇首间的距离dj2ch；

5）簇内成员节点和预选簇首进行剩余能量的比较，如果自己大于预选簇首，则向簇首发送簇内竞争的消息MSG_compete，该消息包含节点的当前能量，以及其到预选簇首的距离dj2ch。

6）预选簇首对簇内节点的竞争消息根据式（12）计算竞争代价，竞选代价最小者成为正式簇首。

图3 簇内竞争流程