改進(jìn)的分簇路由協(xié)議方案ADEECS

　1 引言

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的無(wú)線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般投放在條件惡劣的環(huán)境或者難以涉足的地域中，節(jié)點(diǎn)電池的更換或能量的補(bǔ)充幾乎是不可能的，所以節(jié)能路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)意義十分重大。目前，提出的WSN路由協(xié)議主要有平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議兩類(lèi)，其中基于簇結(jié)構(gòu)的層次路由協(xié)議是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)口。

　　1相關(guān)研究

　　WSN分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是通過(guò)高效的分簇算法形成合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)主動(dòng)的能量管理阻止網(wǎng)絡(luò)連通性下降，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。最典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議是LEACH協(xié)議，人們?cè)贚EACH協(xié)議的基礎(chǔ)上也研究出很多改進(jìn)的分簇路由協(xié)議，EECS(Energy Efficient Clustering Scheme)協(xié)議就是其中一種經(jīng)典的改進(jìn)算法。

　　1.1LEACH協(xié)議

　　LEACH是分布式成簇協(xié)議的代表。每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0～1的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于閾值，則該節(jié)點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播它是簇頭。閾值的計(jì)算公式為：

　　式中：p是簇頭占所有節(jié)點(diǎn)的百分比，即節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的初始概率，實(shí)際的簇頭概率以p為中心上下浮動(dòng);r是目前循環(huán)進(jìn)行的輪;G是在最近1/p輪中沒(méi)有當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)集合?？梢钥闯?，當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)在接下來(lái)的1輪中將不能成為簇頭，而其他節(jié)點(diǎn)，因節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生小于T(n)隨機(jī)數(shù)的概率隨之增大，所以節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的概率也增大。競(jìng)爭(zhēng)成功的簇頭節(jié)點(diǎn)廣播當(dāng)選的消息后，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇頭廣播信號(hào)的強(qiáng)弱決定加入哪個(gè)簇。由于簇頭是隨機(jī)挑選的，因此LEACH協(xié)議不能保證簇頭在網(wǎng)絡(luò)中分布均勻，而且節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身通信代價(jià)最小原則選擇加入哪個(gè)簇的成簇算法，但不能保證簇的負(fù)載均衡。

　　1.2 EECS協(xié)議

　　如前所述，LEACH等算法中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身通信代價(jià)最小原則選擇加入哪個(gè)簇，不能保證簇的負(fù)載平衡，而且沒(méi)有考慮距基站較遠(yuǎn)的簇頭能量耗費(fèi)過(guò)快等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，EECS提出一個(gè)新的通信代價(jià)公式(2)來(lái)決定節(jié)點(diǎn)加入哪個(gè)簇：

　　式中：cost(j，i)是節(jié)點(diǎn)Pj加入簇頭i的代價(jià);d(Pj，CHi)是節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離。式(3)中f子函數(shù)保證最小化節(jié)點(diǎn)與簇頭之間的通信代價(jià);d(CHi，BS)是簇頭i到基站的距離，式(3)中g(shù)子函數(shù)保證最小化簇頭i到基站的通信代價(jià);權(quán)值w的設(shè)置則根據(jù)具體應(yīng)用，在成員節(jié)點(diǎn)能量與簇頭能量消耗之間折衷，目標(biāo)是最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。節(jié)點(diǎn)Pj選擇cost(j，i)最小的簇頭i加入，從而保證每個(gè)簇頭負(fù)載均衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，EECS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期較LEACH協(xié)議提高了30%以上。

　　2問(wèn)題的描述

　　EECS算法的實(shí)質(zhì)是在簇頭選擇階段，總是讓剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭;在成簇階段，聯(lián)合考慮普通節(jié)點(diǎn)與簇頭的距離，以及簇頭與基站的距離。其創(chuàng)新之處在于：只有小部分節(jié)點(diǎn)參加簇頭的競(jìng)選;在局部范圍內(nèi)廣播消息，選舉過(guò)程沒(méi)有迭代;以節(jié)點(diǎn)的剩余能量為競(jìng)選參數(shù);設(shè)計(jì)了簇頭之間負(fù)載均衡的策略。

　　EECS協(xié)議存在的問(wèn)題：

　　(1)EECS算法在成簇階段讓候選節(jié)點(diǎn)同時(shí)廣播競(jìng)選消息COMPETE_HEAD，容易造成簇頭分布漏洞問(wèn)題。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)C在B的競(jìng)選半徑內(nèi);節(jié)點(diǎn)B在A的競(jìng)選半徑內(nèi)，且剩余能量方面A>B>C。在這種情況下，C收到B的競(jìng)選消息退出競(jìng)選的同時(shí)，B收到A的競(jìng)選消息退出競(jìng)選，這就會(huì)造成局部簇頭分布漏洞的情況。

　　(2)EECS算法在成簇階段的通信代價(jià)只考慮了普通節(jié)點(diǎn)與簇頭的距離，以及簇頭與基站的距離，沒(méi)有考慮簇頭的剩余能量。這樣就會(huì)造成部分剩余能量相對(duì)較少簇頭節(jié)點(diǎn)的早死現(xiàn)象。

　　針對(duì)EECS協(xié)議存在的問(wèn)題提出了ADEECS(Advanced EECS)協(xié)議，該算法在簇頭選舉階段使用了競(jìng)爭(zhēng)延遲的方法，在成簇階段設(shè)計(jì)了新的通信代價(jià)計(jì)算公式。

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