摘 要： 針對傳感器網絡存在的節(jié)點能耗過快問題,，提出了一種新的分簇路由協(xié)議EEGC,。該協(xié)議底層拓撲采用分簇及簇內部分覆蓋算法，有效地降低了網絡能耗,。上層拓撲采用近簇頭單跳通信,、遠簇頭多跳通信的方式，緩解了內環(huán)簇頭能耗過快的問題,。同時,，以簇頭剩余能量決定簇及簇間路由的重構，進一步提高了控制消息的效率,。仿真驗證表明,，EEGC協(xié)議的網絡壽命明顯優(yōu)于LEACH。
關鍵詞： 無線傳感器網絡,；能量控制,；分簇算法,；覆蓋算法；能量洞
節(jié)能問題一直是無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)的研究熱點,，其中基于分簇的路由協(xié)議引起了較多的關注[1-2],。分簇協(xié)議一般采用多跳通信，但是研究發(fā)現(xiàn),，多跳通信會導致離Sink越近的傳感器節(jié)點的能量消耗越快[3],，這種現(xiàn)象導致在Sink周圍形成“能量洞”。參考文獻[4]首次提出能量洞問題在節(jié)點隨機均勻分布的環(huán)境中是不可避免的,。同時,，從延長網絡生命周期和網絡覆蓋率的角度考慮，參考文獻[5]重點討論了部分覆蓋算法,，指出恰當的部分覆蓋可以減少冗余節(jié)點,，更節(jié)省網絡能量。
針對上述問題,，本文提出了一種新的分簇算法EEGC,，該算法主要針對節(jié)點同構、節(jié)點隨機均勻分布的網絡環(huán)境,。EEGC采用基于最小跳數的簇頭競爭方法,、內環(huán)簇頭直接通信以及外環(huán)簇頭多跳通信的方式，緩解了網絡Sink節(jié)點周圍能量洞的問題,。同時調用部分覆蓋算法,，避免了大量冗余節(jié)點的能耗，實現(xiàn)了一個高效的節(jié)能通信網絡,。
1 系統(tǒng)模型和問題分析
1.1 系統(tǒng)模型
本文假設n個傳感器節(jié)點隨機均勻地分布在監(jiān)測區(qū)域Aarea內，節(jié)點具有相同的初始能量和能耗模型,?；静渴鹪趨^(qū)域外，由位于監(jiān)測區(qū)域內的Sink節(jié)點將收集的信息傳送到基站,。所有節(jié)點不具有定位功能,，節(jié)點的無線發(fā)射功率可控，可以根據距離來調整發(fā)射功率的大小,。無線傳感器網絡的能耗主要來自于通信,，所有節(jié)點發(fā)送、接收和融合數據消息的能量消耗模型見參考文獻[1],。
1.2 簇內部分覆蓋算法
定義1 服務質量q(the Desired QoS)定義為所有工作節(jié)點構成的有效監(jiān)測區(qū)域面積占整個監(jiān)測區(qū)域Aarea(L×L)面積的比例,，即：
如果某個節(jié)點在時刻t之前收到其他節(jié)點的簇頭廣播Head消息，則節(jié)點不再廣播Head消息,，直接發(fā)送Join_head消息加入該簇,。若節(jié)點同時收到兩個簇頭廣播Head消息，則加入能量較大的那個簇。如果在T時刻后,，節(jié)點還未收到簇頭聲明Head,，則自己廣播簇頭聲明Head，宣布成為簇頭,。
2.3 數據傳輸
根據簇內覆蓋算法,，簇頭計算出簇內工作節(jié)點數kact=K/kexp，簇頭選擇能量較大的kact-1個成員節(jié)點,，創(chuàng)建一個TDMA時隙調度,，并把該TDMA調度廣播給這kact-1個節(jié)點。這kact-1個節(jié)點在所分配的時隙將監(jiān)測數據發(fā)送到簇頭,，簇內其他節(jié)點進入休眠模式,。
若簇內工作節(jié)點i能量耗盡，則簇頭關閉該工作節(jié)點,，并調用能量較大的休眠節(jié)點j工作,，安排節(jié)點j在節(jié)點i的時隙發(fā)送信息。若簇頭節(jié)點的能量小于ECHmin,，則重新競選簇頭,，每個非死亡節(jié)點在半徑Rc內廣播自身能量和梯度值，然后重復2.2和2.3的步驟,。簇頭節(jié)點能量閾值ECHmin為接收,、融合簇內工作節(jié)點的數據消息，以及發(fā)送數據消息損耗的能量,，ECHmin=(k-1)lEelec+klEDA+(lEelec+lεfsd2up),。對于每個簇，重復進行多次簇內和簇間數據傳輸,，直到簇頭的剩余能量不足以維持一次數據傳輸過程時,，才重新競選簇頭，這樣可以有效地提高每次分簇的效率,。
簇間數據傳輸階段,，每個簇頭在3Rc半徑內廣播Child消息。內環(huán)所有簇頭i(Gi≤3)直接發(fā)送數據消息給Sink節(jié)點,。外環(huán)簇頭i(Gi>3)存儲接收到的Child消息,，同時選擇Ej/Gj比值較大的低梯度簇頭j作為父節(jié)點，進行數據多跳傳輸,。如果一條路徑失敗,，則選擇3Rc范圍內的其他簇頭節(jié)點作為父節(jié)點，進行簇間信息傳遞,。只有當網絡內所有節(jié)點重新進行簇的構建過程,，網絡才會重新廣播Child消息構建簇間路由,，否則，所有簇頭節(jié)點依照儲存的路由表傳遞數據,。這種內環(huán)簇頭直接通信,、外環(huán)簇頭多跳通信的方式，能夠減少內環(huán)簇頭的負載,，緩解內環(huán)節(jié)點能耗過快的問題,。
3 實驗驗證與仿真
為了說明算法效果，使用MATLAB對算法進行了仿真測試,，仿真區(qū)域100 m×100 m,，仿真場景參數如表2所示。
3.2 協(xié)議性能
圖3,、圖4分別比較了EEGC協(xié)議在n=100,、q=0.99/0.90以及n=400、q=0.99/0.90場景下,，網絡壽命與每輪工作節(jié)點數目的關系,。由圖可見，在q=0.99條件下,，網絡要求更多工作節(jié)點來換取較小的QoS優(yōu)勢,。
圖5比較了EEGC協(xié)議和LEACH在n=100條件下的實際網絡服務質量。圖6比較了EEGC協(xié)議與LEACH在n=400條件下的實際網絡服務質量,。
圖5和圖6均可表明EEGC協(xié)議在保證高服務質量的同時,，網絡壽命更長。同時,，比較EEGC協(xié)議在q=0.99,、n=400與q=0.99、n=100兩種情況的曲線圖可知,，EEGC協(xié)議在高密度環(huán)境下的網絡能耗更加均衡,，網絡服務質量更高，也驗證了EEGC協(xié)議主要是針對高密度的隨機分布網絡環(huán)境,。
EEGC協(xié)議采用了部分覆蓋算法調度活動節(jié)點,，有效減少了冗余節(jié)點,。同時,，簇和簇間路由的重構都由簇頭剩余能量值決定，在高能量,、高密度的網絡中,，這樣可以降低反復重新構建簇及路由的能量損耗；但是在低能量,、節(jié)點稀疏的網絡,，這種網絡重構機制在節(jié)能方面并無優(yōu)勢,。同時，本協(xié)議的空分路由策略——內環(huán)直接通信,、外環(huán)多跳通信,，還有待改進。下一步需要研究更合理的拓撲機制,，進一步節(jié)省系統(tǒng)能耗,，延長網絡壽命。
參考文獻
[1] HEINZELMAN W,， CHANDRAKSAN A,， BALAKRISHNAN H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2002,，1(4)：660-670.
[2] 沈波,，張世永，孫亦平.無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議[J].軟件學報,，2006,，17(7)：1588-1600.
[3] 宋超，劉明,，龔海剛,，等.基于蟻群優(yōu)化解決傳感器網絡中的能量洞問題[J].軟件學報，2009,，20(10)：2729-2743.
[4] OLARIU S,， STOJMENOVIC I. Design guidelines for maximizing lifetime and avoiding energy holes in sensor networks with uniform distribution and uniform reporting[C].Proceedings of the IEEE INFOCOM’06. Barcelona， Spain： IEEE Press,， 2006-04-06-25.
[5] Zou Yi,， CHAKRABARTY K. A distributed coverage and connectivity-centric technique for selecting active nodes in wireless sensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2005,， 54(8)：978-991.
[6] 毛鶯池,，劉明，陳力軍,，等.DELIC：一種高效節(jié)能的與節(jié)點位置無關的傳感器網絡覆蓋協(xié)議[J].計算機研究與發(fā)展,，2006，43(2)：187-195.