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(diǎn)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(diǎn)：

1）每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)Chi對(duì)其鄰居簇首進(jìn)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(diǎn)能獲取到鄰居簇首的信息，簇首節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的標(biāo)識(shí)ID、剩余能量Ere(i)和其到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離di2sink。鄰居簇首Ch接收到此消息后，根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算它們之間的距離di_t并對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)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(gè)簇首節(jié)點(diǎn)Chi從它的鄰居簇首的集合N i中選擇一個(gè)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(jià)，

，

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(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的距離小于簇半徑時(shí)，簇首直接將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)；否則選擇一個(gè)離自身和匯聚節(jié)點(diǎn)都比較近且通信代價(jià)最少的簇首節(jié)點(diǎn)作為下一跳。代價(jià)考慮了通信能耗和鄰居簇首的剩余能量2個(gè)因素，以便平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段后。成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)TDMA工作時(shí)隙的分配來(lái)調(diào)整自身的工作狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的TDMA工作時(shí)隙沒(méi)有到來(lái)時(shí)，節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的狀態(tài)為休眠；當(dāng)被時(shí)鐘喚醒時(shí)，才進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)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(diǎn)，簇首對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合壓縮處理，再通過(guò)協(xié)作多簇網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 分析與仿真

忽略無(wú)線鏈路中可能的數(shù)據(jù)碰撞沖突和丟包錯(cuò)誤，對(duì)CMH算法中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和融合處理的能量消耗進(jìn)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(jìn)行了對(duì)比。

仿真場(chǎng)景設(shè)置為450個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在半徑為250 m的圓內(nèi)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為5個(gè)同心圓環(huán)，內(nèi)層圓環(huán)的節(jié)點(diǎn)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(gè)仿真進(jìn)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(jì)算，由圓環(huán)中的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(píng)估CMH協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡性和節(jié)能作用到底如何，從節(jié)點(diǎn)的能量消耗和節(jié)點(diǎn)剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差等方面進(jìn)行了仿真對(duì)比，并對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)期節(jié)點(diǎn)剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其值越小，說(shuō)明能量均衡程度越好。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中總能量消耗趨勢(shì)如圖5，在相應(yīng)的運(yùn)行輪次中，CMHA的總能量消耗遠(yuǎn)小于LEACH的能量消耗，這是因?yàn)長(zhǎng)EACH中簇首采用單跳的通信方式將數(shù)據(jù)傳送至Sink節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)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(jī)制，使協(xié)議能量消耗更小。

圖5 在不同的運(yùn)行輪中總能量消耗趨勢(shì)

在不同的運(yùn)行輪次中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生存節(jié)點(diǎn)數(shù)如圖6，LEACH協(xié)議在運(yùn)行到82輪左右出現(xiàn)第1個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，而CHMA協(xié)議在191輪才出現(xiàn)第1個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能和平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。

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

圖7 CHMA算法在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的能量平衡的很好，只是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行剛開(kāi)始的時(shí)候，由于只有一部分的節(jié)點(diǎn)作為簇首，能耗比較大，所以此時(shí)節(jié)點(diǎn)剩余能量有很大波動(dòng)，當(dāng)越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)成為簇首，也就是隨著運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中，區(qū)域外圍簇首節(jié)點(diǎn)需要直接和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，所以該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗會(huì)比較快。所以它的剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)很大，這也說(shuō)明了通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)和節(jié)點(diǎn)非均勻的部署可以有效均衡網(wǎng)絡(luò)的能量。

圖7 運(yùn)行過(guò)程中剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差

4   結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中能耗不均衡的根本在于每個(gè)環(huán)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)系，靠近Sink節(jié)點(diǎn)的區(qū)域具有較大密度的數(shù)據(jù)傳輸流，只有設(shè)計(jì)較好的分流策略才能從本質(zhì)上解決“能量空洞”問(wèn)題。通過(guò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可有效均衡網(wǎng)絡(luò)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。仿真表明，該機(jī)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(xiàn)：(英文版已被全部刪除)

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