2 负载均衡的异构传感器网络分簇路由算法研究1
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负载均衡的异构传感器网络分簇路由算法研究
樊思炜
（江苏大学 计算机与通信工程学院 ，江苏 镇江 ２１２０１３）
摘 要 ：
有限的能量资源是无线传感器网络 （ＷＳＮｓ）广泛应用的主要限制之一 。 为了最大化整个网络的生存时间 ，
需要优化无线传感器网络中节点的能量消耗 。 协议使用的无线传感器网络模型包含两种节点 ：普通节点和能量较高
的高级节点 。 算法中综合考虑了节点当前剩余能量 、网络中平均能量 、簇头到基站的距离和节点类型等因素 ，设计了
一种适合于异构无线传感器网络路由协议（ＨＣＥＥＣ） 。 在该协议中 ，基站在对应的区域中选择能量更大 、更加靠近基
站的节点作为簇头来搜集本区域内的信息 ，簇头节点对本簇内的信息进行融合之后发送至基站节点 。 实验表明 ，该
算法能够更好地综合网络中能量的负载 、提高网络吞吐量和延长网络生存时间 。
关键词 ：
异构网络 ；无线传感器网络 ；分簇路由算法
ＤＯＩ ：１０ ．１１９０７／ｒｊｄｋ ．１７１３０８
中图分类号 ：ＴＰ３１２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１６７２‐７８００（２０１７）００８‐００６３‐０４
作者简介 ：樊思炜（１９８９ － ） ，男 ，河南信阳人 ，江苏大学计算机与通信工程学院硕士研究生 ，研究方向为无线传感器网络路由协议 。
０ 引言
无线传感器网络 （ＷＳＮｓ）是由大量传感器节点和一
个或者很少的基站 （ＢＳ）通过自组网方式构成的无线网
络
［１］
。 这些传感器节点不仅具备传感能力 、计算能力 ，同
时还能够实现数据传输功能 。 然而传感器节点通常由干
电池供电 ，其能源具有应用局限性 。 研究表明 ，太阳能和
风能等可再生能源可以被应用在 ＷＳＮ 中 ，为传感器节点
提供能源
［２‐３ ］
。 然而 ，这些可再生能源自身的间歇性会引
起网络中节点能源供应的不持续性 ，进而影响 ＷＳＮｓ 的
性能
［４］
。 因此 ，ＷＳＮ 的研究与部署中 ，传感器节点的能耗
问题仍值得重点关注 。
ＷＳＮｓ 根据初始节点的状态是否相同分为同构网和
异构网 ，能量异构是最普遍的网络异构现象 ，即节点的初
始能量不同 。 早期研究传感器网络主要是针对同构传感
器网络 ，即假定网络中所有节点初始化能量相同且均为同
一类型 ，研究的节点类型比较单一
［５］
。 这种简化忽略了节
点间差异可能给网络及其协议带来的影响 。 而在实际应
用中 ，经常会在传感器群中混合异构节点 ，比如部分节点
没有使用自身携带的电源而是直接使用建筑环境内或者
是周围环境中的交流电源或者是其它种类的电源
［６］
，在野
外环境还有可能使用太阳能作为传感器节点的电源 。 因
此 ，在 ＷＳＮｓ 中异构性也是路由算法研究中需要考虑的
一个重要因素
［７］
。
１ 研究现状
相比于同构传感器网络 ，异构传感器网络更贴近现实
应用场景 ，尤其是能量异构的传感器网络路由协议是目前
研究的重点课题之一
［８］
。 本文主要介绍几种能量异构的
传感器网络分簇路由算法 。
ＳＥＰ
［９］
由 ＬＥＡＣＨ
［１０］
算法发展而来 ，是针对二级能量
异构传感器网络提出的路由算法 。 网络中有两种类型的
节点 ：高级节点和普通节点 。 ＳＥＰ 基于节点的能量初始值
为高级节点和普通节点设置了不同的加权概率 ，使得高级
节点成为簇头（ＣＨ）的概率更大 ，这样确保了两种节点的
生存时间一致 ，既保证了负载均衡 ，又延长了网络的稳定
期 。 但 ＳＥＰ 的簇首选择过程依赖随机数 ，簇首数目波动
较大却可以保证均匀 。 簇首选择未考虑当前剩余能量水
平 ，这些都会影响分簇的效果和网络的性能及生命周期 。
簇头直接传送数据到基站 ，这样当簇头远离基站时会消耗
大量的能量 。
ＤＥＥＣ
［１１］
是一种基于 ＬＥＡＣＨ 的适用于多级能量异
构网络的分布式高能效分簇式路由算法 。 ＤＥＥＣ 的簇首
选举概率值综合考虑节点当前的剩余能量和网络当前平
均剩余能量 ，使得簇首的选举能够自适应节点剩余能量的
变化 ，以最大化延长网络的稳定期 。 每个节点按照其剩余
能量的不同将第 ｒ轮的簇首选举阈值设置为
ｐ
ｉ
＝
（Ｅ
ｉ
（ｒ）／
Ｅ（ｒ） ×
ｐ
ｏ
ｐ
ｔ ，这样保证网络在每个选举周期内的平均簇首
万方数据
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