在无线传感器网络能量消耗模型的基础上，分析了经典的分簇路由算法LEACH的不足，提出了一种高能量有效的分簇路由算法（HEHC），算法重新考虑了通信过程中的能量损耗，并依据能量因子参数优选簇首，同时使用了分簇规模约束机制。仿真结果表明，该算法能有效地减少能量损耗，延长网络的生存周期。
第6期 蕺世瑾,等:高能量有效的基于分簇的无线传感器网络路由协议 2203 能量只是作为节点剩余能量的参考值,使用估计值并不会影响效性的路由协议。 算法的性能。如果知道內络的生存周期,就能够近似估计络 节点 每轮循环的平均能耗。假设在理想情况下,网终在每一轮循环 95 中所消耗的能量是一样的,即令所有的节点在几乎相同的时刻 85 死掉,则可以得到网络生存时间的估计值R。假设每个节点均 匀消耗能量,即每个节点每轮循环中消耗相同的能量,于是可 20 4080120160200240 计算出第r轮循环时网络中每个节点的平均能量E(r)为 网络生存周期/抡 图1100个节点的无线传感器网络图2网终生存周期Vs剩余节点存活数 E、r)=E(1-r/R) (13) 其中:E为节点的初始能量。 0.135 在簇形成的过程中,HEHC算法提出了一种分簇规模的约 20.15 朿机制,即在簇形成阶段,设置簇内非簇首节点数目的门限值 英0095:“:: 以控制簇的规模。其体流稈为:在传感络部署形成后,汇蹙 援0.085 节点用大功率向全网所有传感器节点广播一个信号,每个节点 轮次 在接收到信号后根据信号强度估算出其到汇聚节点的近似距 图3簇首消耗能量总和 离,此距离记为D灬。在簇首选择阶段,一旦节点i当选为簇 首,其簇内非簇首节点数日的门限值为 4结束语 S(i)=[n+(Di-Dmx)/(Dmx-Dmin)](1/-1)(14) 本文针对无线传感器网络,在理论分析的基础上提出了 其中:Dm和Dm分别代表传感节点到汇聚节点距离的最大值种高能量有效性的基于分簇结构的无线传感器网终路由协议 和最小值;n为加杖因子决定簇规模大小,本文中取n=2/3IEIC。该算汰结合簇建立阶段通信能量损耗计算出最优簇 从式(14)中可以看出,簇内节点数目与节点到汇聚节点的距数目,并优化簇首选择策略,制定簇规模约束机制,从而形成最 离呈线性递增的关系,即距离sink节点近的簇规模小数量优簇以节省节点能量,均衡∫簇间负载。仿真结果表明,HE 多,远离sik节点的簇规模大数量少。簇建立过程中,簇首Hc算法具有高能量有效性,能有效地延长无线传感器网络的 按照接收到的信号强度决定接受哪些节点作为其簇内节点。生存周期。 当簇内节点数达到门限值s时,簇首节点将拒绝接受新的节点 参考文献: 成簇。这样,就达到了控制簇规模的目的,使得簇间保持了负 [1 AKYILD IZ I F, SU W, SANKARASUBRAMANIAM Y, et al. Wire 载均衡。 less sensor networks: a survey [J]. Computer Networks(Else 3实验仿真及结果分析 vier),2002,38(4):393-422 [2] RAGHUNATHAN V, GANERIWAL S, SRIV ASTAVA M. Emerging 仿真实验是基丁笔者编写的C代码,并用Ⅴsnal++ techniques for long lived wireless sensor networks[ J]. IEEE Com- 6.0软件对实验进行了分析仿真,并与 LEACH、 LEACH-E munications Magazine, 2006, 44(4): 108-114 EECHS协议进行了对比,主要从网络生存周期和簇首节点能31 DAI Shi-jin,, JING Xiao-rong, e-min. Research and analysis on 耗两个方面进行了比较。仿真环境设置如下:将100个初始能 routing protocols for wireless sensor networks [C]//Proc of Interna- tional Conference on Communications, Circuits and Systems. Hong 量为2J的传感器节点随机分布在(x=0,y=0)和(x=100, Kog:[s.n.],2005:407-41l y=100)组成的正方形区域内组成实验用传感器网络,sink节 [4]沈波,张世永,钟亦平.无线传感器网络分簇路由协议[J].软件 点位于(x=50,y=175)的位置。在仿真中网络拓扑如图1所 学报,2006,17(7):1588-1600 示,设置的坏境变量参数如表1所示。 [5 JIANG Cong-feng, YUAN Dao-min, ZHAO Ying-hui. Tow ards clus- 表1仿真参数设置 tering algorithms in wireless sensor networks: a survey[ C//Pror of 参数 取值 参数 IEEE Conference on Wireless Communications and Networking Con 10 pJ/bit/m Emp 0.0013 pJ/bit/m+ ference. Pis ay. NJ: IEEE Press, 2009: 2009-2014 l 4000 bit [6]付华,赵刚.无线传感器网络中一种能量均衡的分貘策略[J 100m 计算机应用研究,2009,26(4):1494-1496 175 [7]武春涛,胡艳军.无线传感器网络 LEACH算法钓改进[冂],.计算 5 nI/bit 机抆术与发展,2009,19(3):80-83 网络生存周期与剩余存活节点数的对比仿真如图2所示。[81张校会,彭锋,刘洪国,基于能量的无线传感器网终分簇路由 使用 LEACH-E、 EECHS、HEHC协议,网络运行的轮数分别廷 法[J].计算机应用研究,2009,26(2):674-676 长了13.4%、2.1%、39.5%,HEHC算法的网络生存周朗最9 HEINZELMAN W B, CHANDRAKASAN A P, BALAKRISHNAN 长,明显延长了网络的牛存周期。图3给出了前10轮四种算 H. An application-specific protocol architecture for wireless microsen sor networks[ J]. IEEE Trans on Wireless Communications 汯簇首消耗总能量的比较, HIEIIC的簇首能量消耗明显小于其 2002,1(4):660-670 余三种算法。由此叮知,HHC通过使用新的选取簇首门限 [10 RIEDY E J, SZEWCZYK R. Power and control in networked sensors 值,结合簇建立阶段通信能量损耗计算出的最优簇数目,以及 [eb/Ol].http://www.tinyosnet/papers/cs294-8.pdf 釆用分簇规模约東机制可以有效节省簇首能量损耗,均衡簇间11 POTTIE C.J, KAISER W J. Wireless integrated network sensors 负载平衡,延长无线传感器网络的生存周期,是一种高能量有 Communications of the ACM, 2000, 43(5): 51-58