能量均衡的动态多跳路由协议.docx

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1、5IO152025303540能量均衡的动态多跳路由协议邓昂I,施荣华2,董健2,郭海燕3(1.中南大学信息科学与工程学院，长沙410075;2 .中南大学信息科学与工程学院长沙410075;3 .中南大学信息科学与工程学院长沙410075)摘要:由于无线传感器网络中节点能量有限，为了解决网络能耗的不均衡，最大化网络生命周期，提出了一种能量均衡的动态多跳路由协议。本协议根据现有高效网络节点能耗策略结合节点地理位置选举合适的簇头及其覆盖范围，通过动态非均匀的分簇算法建立最优化网络簇群。协议通过优化高能节点的簇头选择概率，可以更加有效地利用网络能量，节约网络成本。关键词：无线传感器网络；多跳；动态

2、分簇；路由协议；能量均衡中图分类号：TP393Energy-ba1.ancedMu1.ti-hopHierarchica1.RoutingProtoco1.withDynamicDENGAng,SHIRong-hua,dongjian,GOUHai-yan(Schoo1.ofInformationScienceandEngineering,Centra1.SouthUniversity,Changsha410075)Abstract:Inordertomaximizethe1.ifetimeofthenetworkandtoso1.vetheissueofunevendistributiono

3、fenergyconsumption,forthefeatureof1.imitedbatteryenergyinwire1.esssensornetwork(WSN),theenergy-ba1.ancedmu1.ti-hophierarchica1.routingprotoco1.withdynamicisproposedforreducingenergyconsumption.Accordingtointegratetheexistingenergyefficiencypo1.iciesandthe1.ocationofnodes,theprotoco1.e1.ectthesuitedc

4、1.usterheadesandtherightcoverage.Theprotoco1.estab1.ishesthec1.ustersbythedynamicnon-uniformc1.usteringa1.gorithmtooptimizetheprotoco1.canuti1.izethenetworkenergybetterbyincreasingthec1.usterheadpropabi1.ityse1.ectionofhight-energynodes,andthenetworkcostisenconnomizedefficient1.y.(10Points,TimesNewR

5、oman)Keywords:wire1.esssensornetwork(WSN);mu1.tip1.ehop;dynamicc1.ustering;routingprotoco1.;energy-ba1.anced0引言网络技术、无线通信技术和微电子技术快速发展，给无线传感器网络带来了新的发展机遇。无线传感网络中节点的信息获取方式逐渐从单一化走向网络化、智能化、系统化，传感器节点自主形成动态、多跳的系统。由于传感器节点硬件性质的束缚，其携带的能量决定了整个网络的工作周期，为了提高网络的利用率，延长网络的生存周期，能耗优化管理成为无线传感器网络的研究热点。在现实的网络部署环境中，无线传感器网络

6、中各初始节点的能量和位置分布不均衡，各传感器节点性能和测量需求也可能不同，因而整个网络的能耗呈现出不均衡性。本文通过对无线传感器网络的整体能耗进行深入分析，提出了一种能量均衡的动态多跳路由协议,通过优化簇头的选举方式结合簇头在网络中的位置选择剩余能量最高的节点作为簇头，并动态调整其覆盖范围。本协议有效保证了数据的融合和转发，均衡了网络节点的能耗I,延长了网络的生命周期。通信联系人：施荣华(1964-),男，湖南常德人，教授，博士生导师，主要研究方向：密码学和网络安全.E-mai1.:作者简介：邓昂(1985-),男，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络4550556065701能耗均衡的路

7、由协议分析1.1 典型分簇路由协议现有的研究成果中，基于簇群的成簇路由协议在节能方面具有较好的优势，典型的成簇路由协议有1.EAeH(1.OWEnergyAdaptiveC1.usteringHierarchy)TEEN(Thresho1.dSensitiveEnergyEfficientSensorNetwork)IHEED(HybridEnergyEfficientDiStribUtedCIUStering)等臼。这些协议的侧重点各有不同，均衡网络能耗的效果也有较大差异。在基于成簇节能的路由协议中，节点多跳路由协议EMHR(Energy-efficientMu1.ti-hopHierarc

8、hica1.RoutingProtOCOI)是分层路由协议中比较高级的改进协议,其多跳路径优化和节能策略算法对网络生存周期有明显的改善。EMHR协议有效的解决了传感器能量消耗分布不均匀的问题。1.2 EMHR协议EMHR协议核心是利用一个合适的算法在选择数据传输的过程中确定簇头传输的下一条路径。协议的建簇过程与1.EACH协议类似，根据簇头和邻居簇头之间的距离以及无线信道模型考虑能耗总量与簇头能量的影响，设置权函数如下：F(ZJ)=S()/S(Z)max+t()2+d(jiS)2d(i,S)2(1)式中，S(i)E为簇头i的剩余能量，S(j)ma为簇头的初始能量。EMHR协议通过比较传感器节点

9、的能量来选择有最多剩余能量的节点，这个节点即担当当前轮的簇头。协议采用多跳路径的传输方式，根据式(1)决定数据传输的下一跳簇头，实验证明此协议可以平衡网络拓扑的负载，减少簇头的能耗，在WSN的网络应用中能达到很好的性能。2能量均衡的动态多跳路由协议2.1协议的基本思想能量均衡的动态多跳路由协议是一种有效的能耗管理协议，协议的基本思想是通过动态非均匀分簇算法完成网络中成员节点的分簇，簇头之间通过多跳路由的方式把数据转发到汇聚节点上，网络的拓扑结构图如1所示。焦头。普通节点图1网络拓扑结构图Fig.1Topo1.ogica1.structure协议改进了EMHR协议的簇头选举及成簇机制。在网络的成

10、簇阶段，节点距离的远近和簇头能耗策略决定簇群覆盖范围；在数据传输阶段，通过算法选择多跳路由传输数据的路径巴网络中Sink节点周围的根节点直接与Sink节点通信，而根节点中的簇头仅用来转发其他簇头75向Sink节点传输的数据。此外，为了均衡网络簇群之间的能耗，协议采用动态非均匀的方式调整簇头覆盖范围，重构各分簇的能耗，从而达到能耗均衡的目的。木协议将网络的生存周期按特定的时间部署分簇周期，在每一分簇周期内又分为簇的建立和簇的稳定两个阶段。2.2簇的建立阶段簇的建立阶段分为簇头选举和计算簇群覆盖范围两个步骤。在网络的部署阶段，汇聚节80点用固定的发射功率向整个无线传感器网络广播入网信号，节点在接收

11、该信号后，根据接收信号的强度计算自身到汇聚节点的距离。典型成簇1.EACH协议中没有考虑簇群覆盖范围大小对网络能耗的影响，从而造成节点密度高的区域和距离Sink节点较远的簇群能量消耗较快，整个网络能耗呈现出一种分布不均衡的态势。此外，由于节点能量及其位置也是很难保证均匀分布的，因此针对1.EACH协议的不足，协议采用文献提出的DCHS改进了的T(n)算法选出85候选簇头。在成簇过程中，簇头根据簇群的能耗代价结合距离因素控制簇群覆盖范围，完成对普通节点进行非均匀分簇。根据节能策略可知,靠近汇聚节点的簇头相应的覆盖面积较小,簇头能够保留更多的能量来供簇间的通信；远离汇聚节点的簇头，簇间转发数据较少

12、，其覆盖面积与距离成线性关系，通过此种策略能有效均衡网络中各簇群间的能量消耗。在此，候选簇头根据自身到汇聚节点的距离计算其竞争区域。假设簇头通信半径为4.，为候选簇90头，根据其竞争半径3。如式(2)：R(_Cdmai5叫.C/7z7Ic“maxumin)其中4nax和4nin分别为网络中节点到汇聚点Sink距离的最大值和最小值，(,5)为候选簇头到汇聚节点的距离，用表示候选簇头竞争半径的最大取值，C是用于控制取值范围的参数，在OT之间取值，并且簇的成员数目之间的非均匀程度由C决定。考虑邻居候选95簇头的竞争半径，每个候选簇头节点以相同的功率在半径为用区域内发送广播消息，消息内容为节点的ID、

13、竞争半径凡以及该节点的剩余能量EmT的。由此候选簇头根据消息构建自己相邻的簇头集合SCZJo当SM构建完成后，节点作出其担任簇头决策。节点需要等待其邻簇集合中所有能量比它大的节点作出决策，才能确定自身是否担任簇头；当它发现其剩余能量比其他邻簇节点的剩余能量高，则它赢得竞选，并且广播获胜的消息。100簇头剩余能量对簇群范围的大小也是一个重要因素,采用文献2的无线通信模型,簇头与整个邻居节点的能耗代价为纥=E+Epnxg,其中E为簇头与邻居节点通信的能耗总和，EP皿皿为簇头处理数据的能耗。由以上,引入权衡成簇范围的函数，如式(3)：/冷Ecurrent=EE(3)IJX1.ZE(R-)1-1.cu

14、rrentcurrentE式中，表示网络中簇头的个数，%“加为节点当前剩余能量，E(%X/J)表示网current105络中簇头成簇范围的期望值。在成簇阶段中，簇头收到其他簇头节点的八4,%,”3值用来确定自己的簇群范围。为了实现能耗的均衡分布，将式中的计算取得最小化，作为簇头控制簇群规模大小的依据。簇头节点根据计算得来的值调整自己的发射功率，加大或者减少通信半径。最后，簇头向外广播属于自己的成员节点的ID号，簇头对每个加入簇群覆盖范围的节点进行考察，普通节点选择簇头通信代价最小即接受信号强度最大的簇头，发送其加入消息110通知该簇头。在根节点的范围内，网络设置一个阀值F,在所有与汇聚节点距离

15、小于阀值F的簇头中选出剩余能量最多的两个节点。和力，假设。和的剩余能量分别是Ea和%，距离汇聚点的距离分别是d(,s)和d(b1s)；计算经过。和力发送*bit大小的数据到汇聚节点消耗的能量之差，比较与上述消耗的能量差的大小，选择较大者为根簇头。1151201251301351402.3簇的稳定阶段簇的稳定阶段采用多跳路由通信的方式向汇聚节点进行簇间数据通信。节点与Sink节点距离大小决定簇头数据传输的方式，当距离大于阀值F的簇头在数据传输时，传输的下一跳根据式(4)计算卬9值”作为选择依据，E1W=currentEoDij式中，&表示节点的初始能量，。歹为第i个簇群的邻居簇群中第/个簇头到汇

16、聚节点的距离。簇头节点向它的邻簇节点广播消息，比较邻簇群中簇头的%值，选取吗,最大的簇头节点作为下一跳。网络中数据通过多跳路由选择方式，沿着选择的簇头路径进行融合和传输。数据从距离大于阀值F的簇头发送到距离小于F的簇头，再传输到距离小于阀值F的根簇头上，所有簇头的数据都汇聚到根簇头，数据经过融合与压缩后发送到汇聚节点。3动态调整簇群覆盖范围由于网络运行一定时间后各簇群能耗出现较大差异,通过动态调整簇群覆盖范围的方式可以有效的均衡网络能耗。在预定的时间内，汇聚节点计算各簇群的剩余能量与整个网络的平均剩余能量的差值，此差值作为动态调整算法的依据。通过比较，对能量较多的簇群增加其节点成员，使该簇群能

17、量负载增加；对能量较低的簇群减少其覆盖半径，达到减轻该簇群能量负载的目的动态调整过程如下：簇头向本簇内的其他节点发布消息，簇内的成员节点计算剩余能量值并发送给簇头；簇头计算簇内总剩余能量，将其所在的簇群及簇内总剩余能量等信息转发给汇聚节点；汇聚节点计算簇内各簇群的剩余能量与整个网络的簇群平均剩余能量E的差值得出四计算得出的差SEi的值被用来确定动态调整簇群覆盖范围的依据。其中用值的正、负决定动态调整的两个方向，当AEj值为正，增大簇群覆盖范围；反之，则减少簇群覆盖范围。假若鸟.为经过计算得到的动态调整的半径，那么同时在下一轮节点成簇的过程中，竞争半径RC与动态调整半径.结合产生新的簇头覆盖半径

18、，进入新的稳定阶段，再循环以上动态调整过程。通过采用动态调整算法可以有效的减缓各簇群之间能量的不均衡，使整个网络能量负载更加均衡，有效的延长了网络生命周期。网络工作流程图如2所示。Sink节点广插入网信息图1系统流程图Fig.2Systemf1.owchart4结论本文给出了无线传感器网络中现有高级的分簇多跳路由协议，介绍了一些基本的均衡网络能耗的路由算法，在此基础上结合无线传感器网络部署位置和节点能耗状况，提出了一种能量均衡的动态多跳路由协议。协议将节点到Sink节点的距离因素融入到能耗策略中，采用动态调整簇群覆盖范围的方式，有效的均衡了网络中簇群的通信能耗，延长了网络生存周期。参考文献I(

19、References)1冯芳，程良伦.一种高节能多跳分层路由协议J.自动化仪表.2011,32(2):9.142 WANGHao,TIANZuoHua.Inte1.1.igentprice-basedcongestioncontro1.forcommunicationnetworksCProcofthe18thInternationa1.WorkshoponQua1.ityofService.Piscataway,NJ：IEEEPress,2010:1-5.3汤波,罗昌俊,周明天等.能量均衡的无线传感器网络分簇方法J.计算机应用研究.2008.25(3):878-880.4李成法,陈贵海,叶懋

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22、0.9 HANDYMJ,HAASEM,T1.MMERMANND.1.owenergyadaptivec1.usteringhierarchywithdeterministicc1.uster-headse1.ectionCProcofInternationa1.WorkshoponMobi1.eandWire1.essCommunicationNetwork.Piscataway：IEEECommunicationSociety.2002：368-372.10广东工业大学.种无线传感器网络路由方法：中国,CN.2P2009:10/4.145150155160165170I1.1.陈祖爵，麻勰光，陈媛等.能量均衡的动态间隔分层路由协议J计算机应用研%,2011.,28(1.):I().3969/j.issn.1.(X)1.-3695.2011.01.077.