无线传感器网络的分区异构分簇协议研究

胡春安，张梦婷

(江西理工大学　信息工程学院，江西　赣州 341000)



无线传感器网络的分区异构分簇协议研究

胡春安，张梦婷

(江西理工大学信息工程学院，江西赣州 341000)

摘要:针对无线传感器网络能量受限和路由协议中节点能量消耗不均衡的问题，提出一种新的无线传感器网络的分区异构分簇协议(PHC协议)。该协议的核心是将3种不同能量等级的节点根据能量的不同分别部署在不同区域，能量较高的高级节点和中间节点使用聚类技术通过簇头直接传输数据到汇聚点，能量较低的普通节点则直接传输数据到汇聚点。仿真结果表明，该协议通过对节点合理的分配部署，使簇头分布均匀，更好地均衡了节点的能量消耗，延长了网络的稳定期，提高了网络的吞吐量，增强了网络的整体性能。

关键词:无线传感器网络；路由协议；分区异构分簇；稳定期； 吞吐量

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)由大量部署在监测区域内的传感器节点组成，随机监控各种物理条件或环境。在无线传感器网络中，路由协议的选择极为重要，一个较好的路由协议可以延长网络的生命周期，提高网络的稳定性和吞吐量。近年来，随着对WSN路由协议研究的不断深入，出现了大量的无线传感器网络分簇协议。Heinzelman等人提出了LEACH的分簇协议[1]，它是第一个在无线传感器网络中被提出的层次聚类算法，该算法在同构网络中性能很好，但是不能很好地适应异构网络。由此基础发展而来的有：DEEC算法[2]，基于节点剩余能量分布的簇头选择算法[3]，LEACH-ECHC算法[4]，gcLeach算法等[5]，基于改进LEACH的多簇头分簇路由算法[6]。Smaragdakis等人提出了SEP协议[7]，它是一个二级异构感知协议。Aderohunmu等人提出了一个增强的稳定选举协议——E-SEP协议[8]，是在SEP协议的基础上引入中间节点，这两个协议都不能保证所有节点有效部署。Faisal等人提出了无线传感器网络的区域稳定选举Z-SEP协议[9]，在Z-SEP协议中将高级节点和普通节点按照能量的不同分别放在不同的区域，但簇头只在高级节点中选举。另外，还有其他的分簇协议，如An enhanced stable election protocol (SEP) for clustered heterogeneous WSN[10]、CRPCT协议[11]、EAUC路由协议[12]、SCRP算法[13]、EHCA结构[14]、TLTS协议[15]、RECRP分簇路由协议[16]、BPEC算法[17]、UECG[18]等。这些协议目前还不能高效解决节点布署以及异构网络中簇头分布不均匀等问题。针对这些问题，本文研究了一种混合方式的分区异构分簇协议(PHC协议)，通过仿真结果表明该协议可以合理分配部署网络中的传感器节点，解决簇头分布不均匀等问题，达到延长网络稳定期，提高网络吞吐量的效果。

1簇头选举算法

文中采用了与LEACH协议相同的簇头选举算法，将传感器网络周期性的聚合分成若干个簇，每个周期为一轮(Round)，包括簇的形成阶段和稳定的数据传输阶段。为了尽量减少成本和最大化使用网络资源，稳定的数据传输阶段大于簇形成的阶段。在簇形成阶段，采用随机选举簇头算法，每个节点自主选择是否成为当前轮的簇头；数据传输阶段，节点发送数据到最近的簇头，簇头进行数据聚合传输到汇聚点完成一轮工作。在簇形成阶段，每个节点自主选择是否成为当前轮的簇头，每个节点会成为簇头的期望概率是popt，而在LEACH协议中根据网络情况计算出最佳簇头数目为kopt，因此popt计算公式如下

(1)

式中：n1是形成簇的总节点数。

(2)

式中：r是当前轮数。

2能耗模型

无线传感器节点的能量消耗主要源于通信传输能耗，为了延长网络的稳定期，节点能量必须在数据传输过程中得到高效利用。聚类算法最优的意义在于使均匀分布在所有传感器节点的能耗和总的能源消耗最低，而这在很大程度上依赖于使用的能耗模型。文中采用的无线通信能量消耗模型[7]如图1所示。

图1　无线传感器通信能耗模型

图1中节点发射L(bit)数据到距离为d的位置，消耗的能量由发射电路损耗和功率放大损耗两部分组成。功率放大电路的能耗根据发射节点和接收节点之间的距离d有所不同，当d小于等于阈值d0时，采用自由空间模型；当d大于阈值d0时，采用多径衰落模型。无线电能量消耗被定义如

(3)式中：Eelec为运行发送电路或接收电路单位bit数据消耗的能量；εfs，εamp为两种模型中功率放大时单位bit数据发送单位距离消耗的能量；阈值d0可由式(4)计算得到

(4)

接收一个L信息，能量的消耗为

ERX(L)=L×Eelec

(5)

另外，数据聚合也消耗一定能量。聚合过程[19]Ee如

Ee=L×EDA

(6)

式中：EDA表示单位bit数据聚合的能量。

3PHC协议设计

为了解决在异构网络中簇头分布不均匀和节点不能有效部署等问题，提出的分区异构分簇协议，根据节点的能量分布情况和与汇聚点的距离关系，对网络进行区域划分。

3.1网络体系结构

在大部分的路由协议中，由于节点是随机部署在网络区域内，导致网络中的节点能量不能高效的利用，因此文中根据能量级别和网络区域的Y坐标将网络领域划分成5个区域：0区，1区，2区，3区，4区。

0区：汇聚点部署在整个网络场的中心位置，普通节点随机部署在0区，位于40

1区：高级节点的一半随机部署在1区，位于80

2区：高级节点的一半随机部署在2区，位于0

3区：中间节点的一半随机部署在3区，位于60

4区：中间节点的一半随机部署在4区，位于20

各节点的分布如图2所示。

图2　节点部署

3.2PHC协议

PHC协议使用了两种技术传输数据到汇聚点：直接通信和使用聚类技术通过簇头传输数据。

1)直接通信

普通节点分布在0区通过感知周围环境，采集数据并直接发送数据到汇聚点。

2)使用聚类技术通过簇头传输数据

高级节点和中间节点分布在1区，2区，3区，4区通过聚类算法直接把数据传输到汇聚点。簇头分别在1区，2区，3区，4区形成，簇成员感知周围环境，采集数据，簇头从簇成员节点中收集数据并进行数据聚合后直接传输到汇聚点，因此簇头的选择是至关重要的。如图2所示，高级节点随机分布在1区和2区，中间节点随机分布在3区和4区，而且簇头只在高级节点和中间节点形成。网络的总能量增加的比例为(1+m×a+b×u)，由(1)(2)式可得padv，pmid作为高级节点和中间节点各自的概率。因此有

(7)

(8)

如上所述，为了确保传感器节点必须成为簇头，必须为选择过程计算新的阈值T(sadv)，T(smid)分别代表高级节点和中间节点的阈值

(9)

由上可知有n×m个高级节点，G′是高级节点在过去的1/padv轮中没被选为簇头的节点集合。

(10)

PHC协议的操作流程：首先形成网络，判断网络中的节点是哪种节点，如果是普通节点则直接将节点信息发送到汇聚点；如果是高级节点和中间节点则进行簇头选定，簇形成后，簇成员根据簇头分配的TDMA时间调度表进行操作、采集信息，并上传给簇头。当簇头收到数据后，进行数据聚合并直接传向汇聚点。以下是PHC协议的操作流程图，如图3所示。

图3　PHC协议流程图

由于普通节点的能量小于高级节点和中间节点的能量，因此簇头在高级节点和中间节点中形成，它在接收数据时比簇成员消耗更多能量，如果普通节点成为簇头，则簇头节点由于能量快速消耗反而导致稳定期缩短，吞吐量降低。

4实验结果和分析

为了验证PHC协议的合理性和有效性，选取网络的稳定期和吞吐量作为评估标准，与其他分簇协议相比较，通过对协议进行仿真实验来评估混合路由协议的性能。

4.1仿真参数设置

仿真软件为MATLAB2013a，具体仿真测试实验所用参数的设置如表1所示。

表1　实验参数

由于文献[5]中提出了网络异构性(即网络的稳定期)与m×a的大小成线性关系，并且当m×a=0.2时，节点对于小规模的异构结构较灵敏。随着m×a的增加，当m×a=0.2时，节点异构性的灵敏度增长的趋势开始变小，所以m×a=0.2是一个转折点，因此本文只分析了m=0.1，a=2和m=0.2，a=1这两种特殊情况下网络的稳定期和吞吐量随着参数b的变化情况。基于相同的仿真场景，将PHC协议与Z-SEP协议、LEACH协议和SEP协议相比较，仿真结果具体分析如下。

4.2实验结果与分析

网络的稳定期和吞吐量是衡量网络性能的指标。该协议通过引入高级能量的节点，并对网络中不同能量级别的节点合理高效的分配，使得在异构网络中簇头的分布更为均匀，各节点的能量能被充分利用，从而延长第一个节点的死亡时间，同时使传输到汇聚点的数据也大大的增多。

1)稳定期的比较

图4　m=0.1,a=2时网络的稳定期

图4所示的是m=0.1，a=2，b=0.5时，各个协议网络稳定期的曲线图。当m=0.1，a=2时，参数b为集合A={0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8}中的任一值，在b的每个取值下分别进行30次仿真测试，并计算每个取值对应的第一个节点死亡轮数的平均值，具体结果如表2所示。

表2　当m=0.1,a=2时各协议的轮数

由表2计算可得， PHC协议的稳定期比Z-SEP协议的稳定期延长约1.55%～7.11%。

图5　m=0.2，a=1时网络的稳定期

如图5所示的则是m=0.2，a=1，b=0.7时，各个协议网络稳定期的曲线图。当m=0.2，a=1时，参数b为集合B={0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7}中的任一值，对b的每个取值分别进行30次仿真测试，并计算每个取值对应的第一个节点死亡轮数平均值，具体结果如表3所示。

表3　当m=0.2,a=1时各协议的轮数

由表3计算可得， PHC协议的稳定期比Z-SEP协议的稳定期延长约1.03%～5.02%。

通过表2和3观察可以看出PHC协议的稳定期比Z-SEP协议、SEP协议和LEACH协议的都长，证明了PHC协议比Z-SEP协议、SEP协议和LEACH协议更加稳定，PHC协议性能优越性得以证明。实验表明，随着参数b增加，PHC协议的稳定期也随之增长。

2)吞吐量

图6　m=0.1,a=2时各协议的网络吞吐量

如图6所示的是m=0.1，a=2，b=0.8时，各个协议网络吞吐量的曲线图。当m=0.1，a=2时，在参数b属于集合A的情况下，对b的每个取值分别进行30次仿真测试，并计算出在每个取值下节点成功传输到汇聚点的数据总量平均值，具体结果如表4所示。

表4　当m=0.1,a=2时各协议的数据总量

由表4计算可得，PHC协议成功传输到汇聚点的数据比Z-SEP协议的数据多约7.14%～60.93%，即PHC协议的吞吐量更大。

图7　m=0.2，a=1时各协议的网络吞吐量

如图7所示的则是m=0.2，a=1，b=0.6时，各个协议网络吞吐量的曲线图，当m=0.2，a=1时，参数b为集合B中的任一值，对b的每个取值分别进行30次仿真测试，并计算出每个取值相应的节点成功传输至汇聚点的数据总量平均值，具体结果如表5所示。

表5　当m=0.2,a=1时各协议的数据总量

由表5计算可得，PHC协议成功传输到汇聚点的数据比Z-SEP协议的数据多约2.29%～23.70%。

通过表4和5观察可以看出PHC协议的吞吐量比这些协议都大，由此可证PHC协议比其他几个协议的性能都好。实验表明，随着参数b增加，PHC协议的吞吐量也随之增加。

由于传感器节点经常被部署在条件恶劣甚至人类无法接近的区域，如深海或深井等。因而只能采取播撒或者随机部署的方式，导致网络的整体性能难以得到保障。因此在这些情况下，提高网络的性能也变得更加重要，所以在遇到这些情况的时候，使用PHC协议可以根据具体的情况增加参数b的值延长稳定期，提高吞吐量，增强网络的性能。

5结束语

本文设计了一种新的分区异构分簇协议(PHC协议)，它是一种3级异构协议，核心思想是将3种不同能量的节点分别放在不同的区域，其中普通节点部署在0区直接将数据传输到汇聚点，高级节点的一半分别部署在1区和2区，中间节点的一半分别部署在3区和4区，并在这些区域中根据节点产生的随机数选举簇头，有效解决了在异构网络中簇头分布不均匀的问题，同时通过对节点高效合理的分配，可以充分利用网络中节点的能量，达到均衡节点能量消耗的效果。研究结果表明，与已有的分簇协议、LEACH协议、SEP协议和Z-SEP协议相比较，PHC协议延长了网络的稳定期，提高了网络的吞吐量。

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责任编辑：许盈

Research on partition heterogeneous clustering protocol of wireless sensor networks

HU Chun′an, ZHANG Mengting

(SchoolofInformationEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,JiangxiGanzhou341000,China)

Abstract:Aiming at the problem of energy constraints and unbalanced energy consumption of routing protocols in wireless sensor network, a novel partition heterogeneous clustering protocol of wireless sensor networks (PHC protocol) is proposed. The core of the protocol is the node of three kinds of different energy levels according to the different energy are deployed in regions of different distances, clustering technology is utilized for higher energy the advanced nodes and intermediate nodes transmit data through the cluster head directly to sink, the ordinary nodes with lower energy transmit data directly to the sink. The simulation results show that, the protocol can distribute the cluster head evenly through the reasonable allocation of the nodes, better balance the energy consumption of nodes, prolong stable period of the network and improve the data throughput of the network, so as to improve the overall performance of the network.

Key words:wireless sensor networks; routing protocols; partition heterogeneous cluster; stable period; throughput

中图分类号：TP393

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.011

基金项目：国家自然科学基金项目(11461031)

作者简介：

胡春安(1966— )，女，副教授、硕士生导师，主要研究方向为信息安全、无线传感器网络；

张梦婷(1990— )，女，硕士生，主研无线传感器网络。

收稿日期：2015-11-18

文献引用格式：胡春安，张梦婷. 无线传感器网络的分区异构分簇协议研究[J].电视技术，2016，40(5)：48-53.

HU C A，ZHANG M T. Research on partition heterogeneous clustering protocol of wireless sensor networks[J].Video engineering，2016，40(5)：48-53.