無線傳感網絡分布控制匯聚協作節能算法
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對網絡監測的區域進行環形劃分，進行非均勻的部署控制，讓較靠近匯聚節點區域的傳感器節點分布密度大于較遠區域，使單位周期內每個環形區域節點協作多跳通信以平衡區域能耗、優化數據傳輸路徑提高節點能量利用效率。仿真表明該算法對減小傳輸能耗、均衡網絡能量有較好效果。
本文引用地址：http://www.j9360.com/article/202007/416129.htm作者簡介：
邵玉成（1985年—）, 男, 安徽潁上人, 工學碩士, 主要研究領域為無線通信測試技術, 物聯網技術。主持或承擔過多項國家科技重大專項（03專項）、電子測試技術安徽省重點實驗室資助項目。
凌云志（1976—）, 男,安徽巢湖人, 學士, 中電科儀器儀表有限公司部門主任, 主要研究領域為移動通信測試技術, 物聯網測試技術。發表論文多篇, 主持或承擔過多項國家科技重大專項。
孫昊（1980年—）, 男, 安徽蚌埠人, 學士學位, 中電科儀器儀表有限公司高級工程師, 主要研究領域為移動通信測試技術, 物聯網測試技術。發表技術論文多篇, 主持或承擔過多項國家科技重大專項。
引言
在無線傳感器網絡中，如果監測區域內的節點均勻分布，當采用多跳轉發的方式向匯聚節點發送數據時，離匯聚節點較近的傳感器節點需要承擔較多的外圍節點數據轉發任務，其能量消耗就較大，容易引起該區域節點的能量過早耗盡而死亡。在WSN中，特別是針對無線傳感網絡技術研究及應用實踐中[3-5]，如何使網絡能量比較均衡并最大限度地提高節點能量的利用效率對于網絡的性能有著很大的影響。本文在現有分簇算法研究基礎上，提出基于節點非均勻分布的分簇協作多跳路由算法（CorMulti-hop Agrithm），并對該算法的性能進行了仿真評估。
1 相關研究
針對WSN中“熱區”以及節點能量利用效率較低的問題，許多學者對其進行了研究并提出了不同的方法。文獻的實驗結果表明：在節點均勻分布的無線傳感器網路中，由于部分承擔過重轉發任務節點的提早死亡，導致網絡能量的利用率非常低，甚至不足10%。文獻證明了在網絡節點均勻分布的網絡中，“熱區”問題是難以避免的。文獻提出了采用異構的傳感器節點來解決“熱區”問題，在網絡的不同區域中，節點初始能量不相同，承擔更多轉發任務的匯聚節點周圍的傳感器節點具有更多的初始能量，這樣就可以拿出一部分能量供數據轉發使用，來保證每一個網絡節點有近似相同的生存周期。文獻對于網絡能量消耗不均衡以及生存周期較短問題，提出了一種混合式控制策略，對監測區域進行同心圓環劃分，利用算法分配圓環內一部分節點與Sink節點進行直接通信，其他節點通過多跳的方式把數據傳送到Sink節點，根據算法調節這兩部分節點數目的比例。相關優化協議[11-12]采用控制性節點布局，普通節點在選擇簇進行加入時，綜合自身到簇首的距離以及簇首到Sink節點的距離等因素進行選擇。這樣既考慮了節點自身的能耗，也考慮了作為中繼節點簇首的能耗，構造出的大小非均勻的簇，可緩解簇間能耗不均衡的問題。
本文在相關研究工作的基礎上，提出一種基于LEACH的節點控制分布及通信協作多跳的路由協議算法。該算法的設計思想：平衡網絡區域的能耗，采用節點非均勻部署策略；在簇首選舉階段，采用與LEACH相同的方式選舉出預選簇首，之后進行簇內競爭，讓競爭代價最小的節點成為正式簇首，有利于局部能耗的均衡；采用簇間協作多跳的傳輸方式把數據傳送給匯聚節點，并在建立簇間多跳路由時綜合考慮節點的能量和通信代價，以節省傳輸階段的能耗。
2 網絡節點的非均勻分布控制
2.1網絡模型與假設
文章假設網絡的監測區域為圓形，所有的節點是同構，且節點的初始能量（近似）相等，均為Eore，匯聚節點位于監測區域的中心，傳感器節點采用控制式非均勻部署；簇首對簇成員的數據進行融合處理，對同級數據轉發采用bypass方式；節點Tx power皆可自行調整。
節點分布控制策略：
1)半徑為R的圓形區域劃分為M個同心的圓環，如圖1，區域記為{Ci1,Ci2,…,Ci0}，圓環的外側邊到圓心的半徑記為{ρ1,ρ2,…,ρ0}。總數為N的傳感器節點平均分布在各圓環中，用Ni表示第i層圓環中傳感器節點的數目，則N1=N2=…=NO=N/O，且N1+N2+…+N0=N；
2)每層圓環中，節點依概率P當選為簇首，每層圓環內的簇首數目Ni_ch近似相等，即N1_ch=N2_ch=…=NM_ch=P×N/O；
3)數據傳輸階段，外層環中的數據通過選擇內層環內節點作為中繼，逐層轉發，傳遞到匯聚節點,內層環的節點密度要大于其相鄰的外層圓環節點密度。
圖1 節點非均勻部署與網絡劃分示意圖
2.2網絡節點的能耗分析
采用與文獻相同的能量消耗模型，節點發送數據的能耗ETX包含電路能耗、信號放大能耗，與傳輸的距離相關，當傳輸距離較近時，采用自由空間消耗模型，否則采用多徑衰落模型。
節點接收l比特的數據能耗為：
（1）
節點進行數據融合處理的能耗為：
（2）
其中，Edpb表示每比特數據融合處理的能耗；m為融合處理的數據包的數目。
在圓形網絡模型中，每層圓環內節點數相等，但寬度不相同；圓環內的簇數目相同但簇的半徑不同，離Sink節點較近的圓環具有較大的節點分布密度。假設圓環Ci中的節點分布密度為ρi，則從最里層的圓環C1到最外層的CO節點分布密度逐漸下降，即：ρ1>ρ2>…>ρi>…>ρO。
（1）圓環中的簇半徑Rch：
假設圓環Ci的面積為Si，節點的最大通信半徑為rmax，則根據網絡覆蓋的連通性要求，以及節點的物理條件的限制，圓環Ci的簇半徑Ri_ch需要滿足：
（3）
這是因為在環Ci中，要完全覆蓋，就使每個簇的覆蓋的面積≥Si/Ni_ch，這里假設：
。 （2）
第i層圓環簇內成員節點到簇首節點的距離平方的期望
：
（4）
假設簇的面積為Si_ch，可知簇內節點分布的概率密度ρ為：
（5）
從而：
（6）
（3）第i層圓環中的簇首節點到圓心匯聚節點的距離的期望E(di)：
（7）
其中，r0=0, 1≤i≤M。
（4）第i層圓環中的簇首節點到第i-1層圓環中的簇首節點距離di的期望E(Δdi)：
（8）
（5）最外層環采集一幀數據的總能耗EO為：
（9）
（6）非最外層圓環Ci的能耗Ei，包括本環內的數據發送能耗Ei_self和外層環數據的轉發能耗Ei_fw：
（10）
其中，d0為空間傳輸距離常數。當Δdi<d0時，n取2，ε取自由空間衰減系數ε fs；否則n取3，ε取多徑衰減系數ε mp。
由節點的初始能量Eori和每層圓環中節點的數目可知，每層圓環中節點總初始能量相等均為Eori×N/M。為了實現每層圓環中節點的能耗均衡，避免能量空洞的出現以及提高網絡的生存周期，節點的拓撲應：
（11）
根據要求調節每層環的面積，即調節圓環半徑ri，便可實現每層環內節點的能耗均衡。
2.3節點分布控制分布協作分簇路由算法（CHMA）
2.3.1 簇首的選舉
預選簇首的選舉和經典LEACH算法類似，當預選簇首確立之后，建立相應的簇。再依k（是常數，為節點剩余能量對競爭代價的影響程度，本文中取k=1）的選擇，進行一次簇內的競爭，競爭代價最小的節點成為最終的正式簇首，競爭代價考慮節點的剩余能量和其到預選簇首的距離，為：
（12）
具體競爭步驟為：
1）按照隨機算法產生網絡預選簇首；
2）節點等待其他簇首的廣播消息，并根據接收消息的信號強度確定加入簇。如果在一定的時間內未接收到簇首的廣播消息，則自己宣布成為簇首；
3）預選簇首廣播Msg消息，該消息包括自己的ID和剩余能量Ei；
4）其它節點j根據接收信息的信號強度選擇加入簇，并計算與預選簇首間的距離dj2ch；
5）簇內成員節點和預選簇首進行剩余能量的比較，如果自己大于預選簇首，則向簇首發送簇內競爭的消息MSG_compete，該消息包含節點的當前能量，以及其到預選簇首的距離dj2ch。
6）預選簇首對簇內節點的競爭消息根據式（12）計算競爭代價，競選代價最小者成為正式簇首。
圖3 簇內競爭流程
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