基于动态分区的WSN集中式分簇方法

李彬 向敏 赵旭东

摘  要：无线传感器节点携带的能源是有限的，制约了网络的工作寿命。为了提高节点的能量利用效率，提出一种进行区域动态划分的分簇方法。通过Sink节点以区域中心为原点划分角幅度相等的子区域，并对分区进行动态控制，然后将每个子区域作为一个簇，从中选择簇头节点负责将簇内的数据传输至Sink节点，从而降低了网络节点能耗。仿真结果表明，通过与LEACH、LEACH-C分簇算法进行对比，该分簇方法提高了节点的能量利用效率，延长了网络的工作时间。

关键词：无线传感器网络;动态分区;分簇;能量效率

中图分类号：TP393         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）07-0026-03

Abstract： The energy carried by wireless sensor nodes is limited， which restricts the working life of the network. In order to improve the energy efficiency of nodes， a clustering method for dynamic region partition is proposed. Through the Sink node， the sub-region with equal angular amplitude is divided with the center of the region as the origin， and the partition is dynamically controlled， and then each sub-region is regarded as a cluster， from which the cluster head node is selected to transmit the data in the cluster to the Sink node. Thus， the energy consumption of network nodes is reduced. The simulation results show that compared with LEACH and LEACH-C clustering algorithm， this clustering method improves the energy efficiency of nodes and prolongs the working time of the network.

Keywords： wireless sensor networks （WSN）; dynamic partitioning; clustering; energy efficiency

1 概述

无线传感器网络（wireless sensor network， WSN）一般是由部署在各类监测区域范围内的数据采集传感器节点和Sink节点（基站或网关）组成的网络，节点可通过单跳或多跳的无线通信方式进行网络数据传输。WSN在环境监测、灾害预警、动植物管理等众多领域得到了广泛应用，在大部分应用中传感器节点被部署后，节点的能源将得不到补充，由于节点的能量是非常有限的，能源的利用效率将影响网络的工作时间。因此，如何提高无线传感器网络节点的能量效率一直以来是一个重要的研究课题。

在众多的研究中对无线传感器网络进行分簇是一种有效提高节点能量利用效率的方式。分簇是将网络中的节点分成多个区域，区域内的节点距离相近而形成一个簇，然后在每个簇中选择一个簇头，其余节点为簇成员节点。簇头在收到簇内节点的数据后将其传输给Sink节点。常用的分簇算法可分为分布式分簇算法和集中式分簇算法[1]。分布式分簇算法一般用于节点位置和能量信息未知的网络中，簇头选择是随机的，虽然保证了各个节点都有相同的概率被选为簇头，可以有效的延长网络生存时间，但是存在网络能耗不均衡问题。在集中式分簇算法中，由Sink节点通过获取所有节点的位置和能量等全局信息进行分簇，降低网络节点的能耗效果较好，应用研究较多。文献[2]提出一种基于位置和剩余能量的局部集中式分簇算法LEACH-LC，并采用模拟退火算法确定局部较优的分簇，能量效率优于LEACH-C算法。文献[3]提出一种基于能量估算的集中式分簇算法LEACH-EE，通过各个簇的数据量来估算每个簇内节点的能量消耗情况来确定下一輪的簇头和簇结构。文献[4]提出基于混合CS的WSN六边形格状优化分簇路由算法，减少了网络数据传输次数，均衡了网络能耗。文献[5]对监测区域进行等间距环划分和等夹角扇形划分，形成非均匀多跳分簇路由算法，保证了网络能耗效率最优，延长了网络生存周期。本文通过对无线传感器网络的监测区域进行动态区域划分的方式，提出一种基于动态分区的集中式分簇方法。

2 网络与能耗模型

2.1 网络模型

本文研究参考文献[6]对无线传感器网络进行如下假设：

（1）每个节点具有相同的初始能量，节点有唯一的设备ID，都可以作为簇头节点，节点作为簇成员节点时可以根据到簇头的距离调节发射功率;

（2）节点的位置固定且都可以直接与Sink节点通信，节点之间相互独立，不受其他节点的影响;

（3）Sink节点具有较高的计算、存储能力，能够获取网络节点的位置和能量等全局信息，其自身能量远多于传感器节点;

（4）簇头节点可以对簇内的数据进行数据融合，减少数据的传输量。

2.2 能耗模型

由于数据处理的能耗远远小于数据传输的能耗，因此本文忽略节点数据计算和存储的能耗，采用文献[5]中的能耗模型，在传输lbit数据到距离d的节点能耗为

3 基于动态分区的成簇方法

节点均匀的分布在监测区域内与Sink节点构成无线传感器网络，Sink节点通过获取的节点位置信息以区域中心为原点进行s个角幅度相等的子区域划分，其中s?2由区域内的节点个数和密集程度决定，区域划分后有编号从1到s的子区域。现将各个子区域分别作为一个簇，在Sink节点处通过计算选出各个子区域内剩余能量最高的节点作为簇头，并将控制信息和簇内的成员节点地址发送给对应的簇头节点，各个子区域的簇头节点通过广播发送消息给其成员节点，并利用TDMA协议为每个成员节点分配时隙，节点在非时隙处于休眠状态以减少能耗。然后各个簇建立之后，簇内的成员节点每隔周期时间T上传一次监测数据。为了使各个簇内的节点能耗均衡，每个节点在上传r次数据后对簇头节点进行轮换。

通过在Sink节点处的计算控制每次能够选择剩余能量较高的节点作为簇头节点，保证了每个簇内的节点能耗均衡，但是由于不同子区域节点数目存在差异，不同子区域内节点平均能耗不同，因此如果只使用固定分区的方式进行簇的建立会使整个网络的节点能耗不均衡，从而影响网络性能。现对区域划分位置进行改变，在每一次重新选取簇头节点前将所有子区域的当前划分位置向同一方向旋转Δα，Δα<，并使Δα满足在经过h次重新划分区域后h.Δα=，这样在经过h·rT时间后的区域划分将与第一次进行的区域划分相同，如图1所示为区域被划分为5个子区域的动态分区及簇的形成过程。

4 仿真分析

本文在Matlab平台上对设计的分簇方法进行仿真，并与常见的分簇算法LEACH、LEACH-C进行能耗性能对比，以20%的网络节点死亡时的时间作为有效网络生命周期衡量指標。具体的仿真参数为：50个初始能量为2J的节点分布在200m×200m的区域内，Sink节点位于区域的中心，如图2所示。并设置区域划分数量s为5，每次节点上传数据次数r为30，数据包的长度l为4000bit，发送数据的周期T为60s，每次子区域位置旋转角度Δα为24°，其它能耗参数Eelec为50nJ/bit，εfs为10pJ/bit/m2，εmp为0.0013pJ/bit/m4。

通过仿真可以得出周期发送数据的次数即网络生命周期与节点存活数量的关系图，如图3所示，对比LEACH、LEACH-C和只进行固定分区的分簇算法可以看出，在节点死亡数量达到20%时进行动态分区的分簇方法工作时间最长，因此该方法的网络节点能量利用效率最好。

5 结束语

本文针对无线传感器网络工作寿命受到节点能源制约的问题，提出一种能够提高节点能量利用效率的动态分区成簇方法。通过Sink节点具有较高的计算存储等能力，实现对区域进行多个子区域的划分，然后将各个子区域分别作为一个簇，从中选择簇头负责簇内节点的数据上传，并通过动态分区控制方式均衡了区域内节点的能耗。仿真结果表明该分簇方法不仅能够减少网络节点的能耗，而且改善了网内节点能耗均衡性能，从而延长了监测网络的工作时间。

参考文献：

[1]徐晶晶，张欣慧，许必宵，等.无线传感器网络分簇算法综述[J].计算机科学，2017，44（02）：31-37.

[2]马建乐，杨军.基于位置和剩余能量的局部集中式LEACH算法研究[J].传感技术学报，2013，26（08）：1147-1151.

[3]刘国梅.WSN的一种基于能量估算的集中式分簇路由协议[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13（04）：15-17+44.

[4]崔灿，孙毅，陆俊，等.基于混合CS的WSN六边形格状优化分簇路由算法研究[J].通信学报，2016，37（05）：176-183.

[5]胡源，牛玉刚，邹媛媛.基于区域划分的WSN非均匀多跳分簇路由算法[J].控制与决策，2017，32（09）：1695-1700.

[6]孙彦清，彭舰，刘唐，等.基于动态分区的无线传感器网络非均匀成簇路由协议[J].通信学报，2014，35（01）：198-206.