無線傳感網(wǎng)絡(luò)分布控制匯聚協(xié)作節(jié)能算法

2.3.2 簇間協(xié)作路由建立策略

為適應(yīng)規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)的需要，CHMA算法根據(jù)節(jié)點的距離和能量信息建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由，采用簇間協(xié)作多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點：

1）每個簇首節(jié)點Chi對其鄰居簇首進行信息收集，信息的收集方式如圖4所示。為了確保簇首節(jié)點能獲取到鄰居簇首的信息，簇首節(jié)點以發(fā)射距離為1.4倍簇半徑（1.4Ri2ch）的功率廣播公告消息ADV，該消息包含節(jié)點的標(biāo)識ID、剩余能量Ere(i)和其到匯聚節(jié)點的距離di2sink。鄰居簇首Ch接收到此消息后，根據(jù)接收信號的強度計算它們之間的距離di_t并對鄰居節(jié)點的信息進行保存。

圖4 簇首信息獲取示意圖

2）根據(jù)表中的鄰居簇首信息，每個簇首節(jié)點Chi從它的鄰居簇首的集合N i中選擇一個合適的簇首作為其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳。下一跳Nexti的協(xié)作選擇觸發(fā)策略為：

   （13）

其中，

cost為轉(zhuǎn)發(fā)代價，

，

α>0，β>0為權(quán)重因子，且α+β=1，d表示距離，

   ，

      。

可知，當(dāng)簇首到點到Sink節(jié)點的距離小于簇半徑時，簇首直接將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點；否則選擇一個離自身和匯聚節(jié)點都比較近且通信代價最少的簇首節(jié)點作為下一跳。代價考慮了通信能耗和鄰居簇首的剩余能量2個因素，以便平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗和延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

節(jié)點開始進入數(shù)據(jù)采集階段后。成員節(jié)點根據(jù)TDMA工作時隙的分配來調(diào)整自身的工作狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的TDMA工作時隙沒有到來時，節(jié)點調(diào)整自身的狀態(tài)為休眠；當(dāng)被時鐘喚醒時，才進行環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)以最小的功率發(fā)送給簇首節(jié)點，簇首對數(shù)據(jù)進行融合壓縮處理，再通過協(xié)作多簇網(wǎng)絡(luò)路由進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 分析與仿真

忽略無線鏈路中可能的數(shù)據(jù)碰撞沖突和丟包錯誤，對CMH算法中傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和融合處理的能量消耗進行仿真，將CMH算法的能量利用效率和網(wǎng)絡(luò)生存周期同LEACH進行了對比。

仿真場景設(shè)置為450個傳感器節(jié)點部署在半徑為250 m的圓內(nèi)，整個網(wǎng)絡(luò)劃分為5個同心圓環(huán)，內(nèi)層圓環(huán)的節(jié)點分布密度逐漸大于相鄰的外層圓環(huán)，主要參數(shù)如表1所示。每個仿真進行10次，最終結(jié)果取均值。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)

根據(jù)前節(jié)分析和計算，由圓環(huán)中的節(jié)點數(shù)，單位周期內(nèi)每層圓環(huán)的能耗相等，確定每層圓環(huán)的面積Si。最內(nèi)層圓中的節(jié)點分布密度最大，從內(nèi)向外層依次遞減由于內(nèi)層的圓（環(huán)）需要承擔(dān)外層圓環(huán)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，所以這樣的分布是合理的。

為了評估CMH協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)能量的均衡性和節(jié)能作用到底如何，從節(jié)點的能量消耗和節(jié)點剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差等方面進行了仿真對比，并對不同的網(wǎng)絡(luò)運行時期節(jié)點剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差進行了統(tǒng)計分析，其值越小，說明能量均衡程度越好。

網(wǎng)絡(luò)運行過程中總能量消耗趨勢如圖5，在相應(yīng)的運行輪次中，CMHA的總能量消耗遠小于LEACH的能量消耗，這是因為LEACH中簇首采用單跳的通信方式將數(shù)據(jù)傳送至Sink節(jié)點，遠距離傳輸導(dǎo)致了能量的消耗較大。CHMA協(xié)議采用簇首間的多跳傳輸，這就減少了傳輸階段的能耗，加之該算法引入了休眠機制，使協(xié)議能量消耗更小。

圖5 在不同的運行輪中總能量消耗趨勢

在不同的運行輪次中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存節(jié)點數(shù)如圖6，LEACH協(xié)議在運行到82輪左右出現(xiàn)第1個節(jié)點死亡，而CHMA協(xié)議在191輪才出現(xiàn)第1個節(jié)點的死亡，較LEACH協(xié)議推遲了138.8%。這一方面是LEACH在傳輸階段的能量消耗比較大，且節(jié)點間的能耗不均衡所引起；另一方面是CHMA協(xié)議更能很好地實現(xiàn)節(jié)能和平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗。

圖6  在不同輪次中網(wǎng)絡(luò)存活的節(jié)點數(shù)

圖7 CHMA算法在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，節(jié)點的能量平衡的很好，只是在網(wǎng)絡(luò)運行剛開始的時候，由于只有一部分的節(jié)點作為簇首，能耗比較大，所以此時節(jié)點剩余能量有很大波動，當(dāng)越來越多的節(jié)點成為簇首，也就是隨著運行輪數(shù)的增加，能量的標(biāo)準(zhǔn)差值趨于穩(wěn)定。而LEACH協(xié)議在運行過程中，區(qū)域外圍簇首節(jié)點需要直接和匯聚節(jié)點進行通信，所以該類節(jié)點的能量消耗會比較快。所以它的剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差會很大，這也說明了通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)和節(jié)點非均勻的部署可以有效均衡網(wǎng)絡(luò)的能量。

圖7 運行過程中剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差

4   結(jié)束語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中能耗不均衡的根本在于每個環(huán)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)系，靠近Sink節(jié)點的區(qū)域具有較大密度的數(shù)據(jù)傳輸流，只有設(shè)計較好的分流策略才能從本質(zhì)上解決“能量空洞”問題。通過節(jié)點預(yù)控非均勻的分布及簇間協(xié)作多跳的策略把采集的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點可有效均衡網(wǎng)絡(luò)能耗和延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。仿真表明，該機制在節(jié)省能耗和均衡網(wǎng)絡(luò)能量方面都具有較好的性能。

參考文獻：(英文版已被全部刪除)

[3] 畢道偉,王雪,王晟,等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)多分類支持向量機設(shè)備狀態(tài)識別[J].電測與儀表, 2007(07): 20-24+36.

[4] 韋榮桃,李舒,張艷玲,等.電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)環(huán)境下可充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能效與路由優(yōu)化策略[J].電測與儀表.2019(22): 31-36.

[5] 滕志軍,張帆,宋明輝.電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中基于蟻群的WSN路由算法研究[J].電測與儀表.2015(11):54-57.

[11] 陳貴海,李成法,葉懋,等.EECS:一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能的聚類方案[J].計算機科學(xué)與探索, 2007,1(2): 171-179.

[12] 汪晗,成昂軒,王坤,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式迭代定位誤差控制算法[J].電子與信息學(xué)報, 2018, 40(1): 72-78.

[13] 蔣俊正,李楊劍,趙海兵,等.一種大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布式定位算法[J].電子與信息學(xué)報,2019,41(12):3022-3028.