基于区域划分的WSNs双簇头路由协议

郑文军

摘要：在无线传感网络中，会出现簇头节点负载过重的现象。为了解决这个问题，提出了一种基于区域划分的双簇头路由协议RDCH。首先，该协议根据节点与基站之间的距离划分区域，减少节点传输时的能量损耗。其次，在每个簇群内选举主副双簇头，解决了单个簇头负载过重问题。仿真结果也表明，RDCH协议能够均衡节点负载。

关键词： 无线传感器网络; 双簇头; 路由协议

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）18-0045-02

Abstract：In WSNs， cluster head nodes may be overloaded. In order to solve this problem， a dual cluster head routing protocol RDCH based on region partitioning is proposed. First， the protocol divides the area according to the distance between the node and the base station， reducing the energy loss when the node transmits. Secondly， the primary and secondary cluster heads are elected in each cluster， which solves the problem of excessive load on a single cluster head. The simulation results also show that the RDCH protocol can balance the node load.

Key words： wireless sensor network; dual cluster head; routing protocol

1 引言

在WSNs中，由于传感器节点一般部署的环境比较恶劣，难以二次回收且传感器节点能量有限，那么如何有效提高节点的能量利用率是我们研究的一个重点方向。在文献[1]中就提出了一种层次型路由协议LEACH，通过成簇的方式来采集与转发数据，能够有效延长网络的生命周期。但是LEACH协议在簇头选择时没有考虑簇头的能量，会使得能量较低的节点担任簇头，加快了簇头的死亡速度。

本文针对LEACH的不足之处提出了RDCH路由协议。通过在网络中寻找主副簇头分别负责数据的收集与转发。根据节点剩余能量来选择主簇头，根据剩余能量和距离基站的距离来选择副簇头。主簇头和副簇头相互协作，能够有效缓解簇头负载，延长网络生命周期。

2 系统模型

假设将传感器节点部署在一个半径为[R=120m]的圆形监测区域内，网络只有一个静态基站且位于圆心处，用于接收和处理源节点上传的数据。本文采用与文献[2]相同的能耗模型。当一个节点向相距为d的另一个节点发送l bit （一般l=4000bit）数据时，无线电消耗的能量定义为：

其中[Eelec]表示发送1 bit数据时节点内部电路所消耗的能量，[Eelec=50nJ/bit]，[εfs]和[εmp]为信号放大功率，[εfs=10pJ/bit/m2]，[εmp=0.0013pJ/bit/m4]。通信阈值[d0=87.7m]，当[d

3 RDCH方案

3.1 网络划分阶段

为了均衡网络能耗，根据节点距离基站的距离，网络被均匀地划分成若干个同心圆环。同心圆的半径与各层环之间的间距w的关系为：[ri=i×w]，其中i表示由内向外的第i个同心圆。整个网络被划分成[Rw]个同心圆。根据能耗模型可知，在网络划分的时候，为了降低能耗，相邻两层环之间的最大间距应小于[d0]，即[2w

3.2 双簇头选择阶段

首先，在选择主簇头时需要保证所选簇头剩余能量较大。每一轮将竞争簇内的节点按剩余能量大小进行排序，选择剩余能量最大的作为主簇头。其次，在选择副簇头时，应该考虑到副簇头的剩余能量以及副簇头距离主簇头以及基站之间的距离。本文根据这两个影响因素设计副簇头的代价函数如下：

其中：[dchj，CHi]表示副簇头与主簇头之间的距离，[chj，BS]表示副簇头与基站之间的距离，[E（chj）]表示副簇头的剩余能量。[α、β、γ]是各个因素所占的权重比例。

3.3数据转发阶段

由于部分节点距离基站较远，故本文采用多跳的方式来转发数据。簇群形成之后，外层环内非簇头节点将数据发送给所在簇群的主簇头节点，主簇头将接收到的数据融合后转发给所在簇群内的副簇头 ，副簇头再将接收到的数据发送给内层环内的下一跳副簇头节点，最终将数据发送到基站。整个过程中，主簇头只负责接收簇内簇头普通节点的数据并将数据发送给副簇头，副簇头与副簇头通信，负载簇间数据的转发。

4 仿真及结果分析

在本节中，通过MATLAB对RDCH和LEACH协议进行仿真，以网络中节点剩余数量和网络总剩余能量为标准来衡量算法的性能。为了方便仿真，假设有18个初始能量[E0=1J]的节点随机分布在面积为[πR26]的圆形监测区域中。

如图所示，与LEACH协议相比，应用本文提出的RDCH算法时，随着时间的推移，网络中的节点存活数量更多，第一个死亡节点出现的时间也更晚，且在2200轮左右时，大量节点同时死亡，这说明RDCH算法能够有效地均衡网络中节点的能量。

5 结论

本文通过将区域划分和双簇头相结合的方法来解决网络簇头负载过重而提前死亡的问题。首先划分网络区域，约束通信距離，减少了簇间传输时能量损耗。其次，在中间各层采用双簇头方法：主簇头负载簇间数据的收集，副簇头负载簇间的数据转发。通过仿真发现，EDCH能够均衡网络中节点负载，延长网络生存时间。

参考文献：

[1] Lalith Yadav， Ch. Sunitha， Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy in WSN （LEACH）， International Journal of Computer Science， Networking， vol. 5， 2014.

[2] 侯华，刘超，周武旸.能量高效均衡的动态分簇路由设计[J].北京邮电大学学报，2013，36 （03）：54-59.

[3] 李双双，杨文忠，吴向前.基于非均等分区的无线传感器网络路由协议[J].计算机应用， 2016（11）：3010-3015.

[4] 尚静， 董增寿， 康琳. 基于非均匀分环与最小通信代价的路由算法[J]. 传感技术学报， 2018.

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