基于簇头距离的网络路由协议优化

赵锦航

（中国人民解放军94535部队，江苏 徐州 221000）

1 基于簇头距离的网络路由协议优化

1.1 网络簇头距离信道选择优化

网络路由协议优化以降低网络能耗为目的，在初始化阶段形成网络簇头，并在节点传输每轮开始时确定其是否成为簇头[1-3]。路由协议以循环方式随机选择簇头，将整个网络能量负载平均分配给每个传感器节点，从而达到降低网络能量消耗、提高网络整体生存时间的目的。网络分簇结构如图1所示。

图1 网络路由协议分簇结构图

在网络初始化阶段，从每个节点在0～1中选取一个随机数。若随机选取小于每轮限定值，则将这一节点做成簇头。在保证节点随机性的同时，要确保网关节点与簇头间数据传输成本能够均匀分摊至所有传感器节点，公式为：

式中，p为节点成为簇头的概率，G为最后1/p轮中没有成为簇头的节点集。当r=0时，即在第0轮时每个节点都有概率p的可能性成为簇头。在第0轮时，成为簇头的节点在接下来1/p轮中不会再成为簇头。但是，经过1/p-1轮后，当T=11时，没有成为过簇头的节点将会成为簇类节点。经过1/p轮后，所有节点将再次公平竞争当选簇头。在随机产生簇头后，再向网络广播分簇信息，告知其他节点形成一个新的簇首信息。

对无线信号多径衰减信道与自由空间信道进行描述，根据网络路由协议发送节点距离的不同选择信道。

分别发送与接收长度为p的数据包时，能耗为：

1.2 路由协议簇头数量优化

网络路由协议簇头形成周期分别为簇的建立、簇间路由建立以及数据传输3个阶段，从而选择路由协议簇头数量。根据节点确定最优簇头数，并对网络节点进行分簇划分。每个分簇前一轮簇头节点根据上轮采集的成员节点信息，按照簇头形成规律，以成簇形式向分簇其余节点广播。假设整体网络区域中有q个分簇区域，其中每个区域中含有N/q个节点。在数据传输过程中，簇头会在节点间通信、簇内数据融合以及接收数据等多方面存在能量消耗。由于每轮生成簇具有一定随机性，可能会出现簇头数目不固定的情况，且由于传感器节点分布随机性，簇头周围节点密度不同，节点凭借接收到簇头当选信息强弱入簇，会存在极大簇与极小簇情况。同一数量节点在网络覆盖范围内均匀分布，基站位于网络中心条件下，分簇结果如图2所示。

图2 极大极小簇的分簇结果

在图2（a）中，所划分的簇头存在分布不均匀的情况，大部分区域形成了极小簇情况。这种情况导致较多簇头与基站间距离较远，增加了每轮能耗。而部分极大簇的出现，导致每个簇内成员节点过多，增加了簇头与接收成员的节点信息能耗。部分节点由于能耗过大较早死亡，这种分簇结果导致网络内能耗分布簇间不均匀。图2（b）中分簇较少，但簇多时会出现极大簇，引起网络能耗分布不合理，导致网络生存周期缩短，需要优化成簇过程，使成簇尽可能均匀。每个分簇所消耗的能量分为节点消耗能量和簇头消耗能量两部分。由于每个簇中只有一个簇头，因此每个簇中含有N/q-1个成员节点。在计算每个簇的总能耗量时需考虑这一点，才能获取最佳簇头数。节点间只需要采集范围内数据，节点能耗为：

式中，dCH表示节点到该分簇所属簇头间的平均距离。

若区域内节点分布密度为p(x,y)，其值为则期望值为：

在该阶段，每个分簇所消耗的能量包括成员节点消耗能量和簇头消耗能量两部分。由于每个簇中只有一个簇头，因此每个簇中含有N/q-1个成员节点。每个簇总能耗为：

协议中，每个网络划分为q个分簇区域，从而得到数据传输能耗为：

根据式（8）可得到最佳簇头数，从而满足网络最小能耗要求。

1.3 路由协议簇头节点优化

确定最优簇头数量后，需要优化路由协议中簇头节点，对延长整体网络使用寿命具有重要意义。路由协议簇头节点优化，能够减少网络在每轮数据通信中消耗的能量，并且使能量平均分配到每个传感器节点上。假设每个簇中含有节点数量相同，即每个簇中含有一个簇头节点，其余节点全部为非簇头节点。传感器节点均匀分布在L区域内，抽取该区域内一个圆形区域，其圆形半径为其中包含节点密度为P=1/L2。由于每个簇头节点能量消耗多集中在数据接收与发送中，因此如果簇头节点与基站之间的距离较远，则数据传输需要消耗较多的能量。

在M个传感器、a个簇的网络路由协议中，任意一个簇头节点所消耗能量为：

式中，n为数据比特数，dbs为簇头到基站距离，Ebit为数据融合消耗能量。

簇头到基站距离可计算为：

经化简计算，得到整体网络能耗为：

式中Enet表示整体网络消耗能量，Ec表示发射机电路消耗的能量。

根据计算结果，得到优化簇头节点为：

式（12）中，e表示传输距离。网络初始化后获取网络具体数据，得到网络簇头节点最佳范围，并控制其保持在路由协议下簇头数范围内，从而达到减少能耗的目的。

2 对比实验

2.1 实验准备

为评价本文方法性能，设计仿真实验，对比优化前后信号传输总耗，从而验证优化后的整体性能变化。选择MATLAB仿真实验平台运行仿真实验。设置在面积为100×100的区域内，含有随机100个网络节点，每个节点数据包大小为2 000 bit，去簇头数据压缩率为0.7。实验中有2 000 bit数据发送到簇头后，簇头对数据进行处理，并将处理后的1 400 bit数据传送至簇头中继，传输能量为50 nJ/bit，每条消息数据的融合消耗能量为5 J/bit。在对同一实验数据处理后进行100次试验，对比优化前后网络总能耗。

2.2 实验结果分析

实验中，由于网络路由协议中出现一个探测节点死亡后，将会出现一片区域成为信息盲区，因此为方便结果数据统计，将一个节点死亡时间作为比较依据。网络路由协议优化前后的总能耗对比情况，如图3所示。

图3 优化前后网络路由协议总能耗对比

如图3所示，优化后网络路由协议能够有效均衡网络能量，满足网络负载均衡，证明了基于簇头距离的网络路由协议优化方法的有效性。

3 结 论

基于簇头距离的网络路由协议优化过程中，针对现有网络路由协议缺陷进行改进，提出了一种能耗较低的网络路由协议运行方式。改进后的协议分簇规模更加均衡，避免了协议中随机选取导致分簇节点数量距离较大的缺点，因此可有效延长网络节点死亡时间，减少不同层次簇头能耗差距，从而完成整体优化。