無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗分簇路由算法研究

靠近基站的候選簇首的競(jìng)爭(zhēng)半徑應(yīng)該較小。隨著候選簇首到基站距離的減小，其競(jìng)爭(zhēng)半徑亦應(yīng)隨之減小。設(shè)候選簇首的競(jìng)爭(zhēng)半徑的最大取值為R0c。其中，c用于控制取值范圍的參數(shù)，在0～1之間取值。候選簇首si確定其競(jìng)爭(zhēng)半徑Rc的計(jì)算公式如下：

式中：dmax是距離基站最大的距離；dmin是距離基站最小的距離；d(si，DS)是簇首si到基站DS的距離。
首輪簇首選舉相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)簇首節(jié)點(diǎn)比例在網(wǎng)絡(luò)中選舉出簇首，在競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)不允許存在其他簇首，接著競(jìng)選產(chǎn)生的簇首向全網(wǎng)廣播其競(jìng)選獲勝的消息CH_ADV_MSG；普通節(jié)點(diǎn)選擇簇內(nèi)通信代價(jià)最小(即接收信號(hào)強(qiáng)度最大)的簇首，發(fā)送加入消息JOIN_CLUSTER_MSG通知該簇首。
3．2 簇首生成樹的建立及數(shù)據(jù)傳輸
本文采用簇首多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，如何選舉下一跳簇首節(jié)點(diǎn)是本部分要重點(diǎn)闡述的問(wèn)題。首先引入一個(gè)閾值TD_MAX，若簇首到匯聚點(diǎn)的距離小于TD_MAX，則直接與匯聚點(diǎn)進(jìn)行通信；否則，應(yīng)該盡量使用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送給匯聚點(diǎn)。
假設(shè)d(A，DS)>TD_MAX，則在簇首A的臨近簇首集里計(jì)算各個(gè)若簇首，帶來(lái)的鏈路質(zhì)量開銷指標(biāo)Erelay=d2(A，X)+d2(X，DS)。其中，d(A，X)是簇首A到簇首X的距離；d(X，DS)是簇首X到基站距離；d(A，DS)是簇首A到基站的距離。在Erelay值小的簇首節(jié)點(diǎn)中選擇剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)的簇首節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)按照簇首生成樹轉(zhuǎn)發(fā)到基站。
3．3 各輪簇首選舉
為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，應(yīng)該盡量選擇簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)中剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)為簇首節(jié)點(diǎn)，并且讓不同的節(jié)點(diǎn)輪轉(zhuǎn)當(dāng)選。本部分采用基于剩余能量的簇首簇內(nèi)輪換的方法進(jìn)行簇首選舉。其主要思想：簇首在簇內(nèi)負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在節(jié)點(diǎn)向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)位后附加上本節(jié)點(diǎn)的剩余能量值位。簇首將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)后，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的能量進(jìn)行簡(jiǎn)單的排序，因?yàn)椴挥镁S持所有節(jié)點(diǎn)能量的全排序，只需要知道剩余能量比較高的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以采用最大堆的排序方法。在通過(guò)數(shù)據(jù)應(yīng)答包或者命令包中附加位的方法把這個(gè)排序中的前3名節(jié)點(diǎn)號(hào)及能量值廣播到整個(gè)簇內(nèi)，這樣做就不會(huì)增加廣播次數(shù)，只是以附帶的方式就可以使整個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)都有本簇內(nèi)剩余能量較高節(jié)點(diǎn)的信息。即使簇首節(jié)點(diǎn)突然失效或發(fā)生異常，其他的節(jié)點(diǎn)可以很快根據(jù)能量信息選出新簇首。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)保留的都是最近一次的能量信息，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠的時(shí)同比較長(zhǎng)，即使簇首突然失效，信息的變化也不會(huì)很大，完全可以根據(jù)這次排序來(lái)選舉出新的簇首。新簇首選出后，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)收發(fā)處理及能量排序等工作。
通過(guò)本算法每次都選出剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首，使簇內(nèi)信息收集和主干網(wǎng)絡(luò)通信更加穩(wěn)定，并避免了每輪簇首選舉時(shí)所有節(jié)點(diǎn)相互交換能量信息所需的大量開銷。

4 性能分析
本部分比較各種分簇協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間的影響。圖3顯示了網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目的各輪變化情況。從圖中可以看出，無(wú)論是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間還是最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間，本文算法均優(yōu)于其他3種協(xié)議。節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間的跨度可以反映出網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量均衡情況，時(shí)間跨度短說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)的能量使用高效。本文算法不僅顯著地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，而且時(shí)間跨度也小于其他3種協(xié)議，這說(shuō)明該算法很好地均衡了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：分簇算法穩(wěn)定，所生成簇的簇個(gè)數(shù)不變，能量消耗低，且有效平衡了簇首能量消耗，顯著延長(zhǎng)路網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。總之，用網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間這一重要指標(biāo)來(lái)衡量，其性能顯著優(yōu)于其他3種分簇協(xié)議。

5 總 結(jié)
本文算法在初始化簇結(jié)構(gòu)時(shí)，采用非均勻分簇的方法，避免了由于數(shù)據(jù)沿簇首生成樹多跳傳輸而導(dǎo)致近基站簇首多余能量的消耗，解決了簇首能量不均衡的問(wèn)題；采用基于剩余能量的簇首簇內(nèi)選舉的方法，避免了所有節(jié)點(diǎn)參與每輪的簇首選舉過(guò)程帶來(lái)的不必要的能量消耗，保證了剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任下一任簇首；用簇首建立主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)多跳傳輸，合理選擇下一跳簇首節(jié)點(diǎn)，減少了簇頭長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)的能量消耗。