无线传感网络散布操控会聚协作节能算法

对网络监测的区域进行环形区分，进行非均匀的布置操控，让较接近会聚节点区域的传感器节点散布密度大于较远区域，使单位周期内每个环形区域节点协作多跳通讯以平衡区域能耗、优化数据传输途径进步节点能量运用功率。仿真标明该算法对减小传输能耗、均衡网络能量有较好作用。

导言 

在无线传感器网络中，假如监测区域内的节点均匀散布，当选用多跳转发的办法向会聚节点发送数据时，离会聚节点较近的传感器节点需求承当较多的外围节点数据转发使命，其能量耗费就较大，简单引起该区域节点的能量过早耗尽而逝世。在WSN中，特别是针对无线传感网络技术研讨及运用实践中^[3-5]，怎么使网络能量比较均衡并最大极限地进步节点能量的运用功率关于网络的功能有着很大的影响。本文在现有分簇算法研讨基础上，提出依据节点非均匀散布的分簇协作多跳路由算法（CorMulti-hop Agrithm），并对该算法的功能进行了仿真评价。

1 相关研讨

针对WSN中“热区”以及节点能量运用功率较低的问题，许多学者对其进行了研讨并提出了不同的办法。文献的试验结果标明：在节点均匀散布的无线传感器网路中，由于部分承当过重转发使命节点的提前逝世，导致网络能量的运用率十分低，乃至缺乏10%。文献证明了在网络节点均匀散布的网络中，“热区”问题是难以防止的。文献提出了选用异构的传感器节点来处理“热区”问题，在网络的不同区域中，节点初始能量不相同，承当更多转发使命的会聚节点周围的传感器节点具有更多的初始能量，这样就可以拿出一部分能量供数据转发运用，来确保每一个网络节点有近似相同的生计周期。文献关于网络能量耗费不均衡以及生计周期较短问题，提出了一种混合式操控战略，对监测区域进行同心圆环区分，运用算法分配圆环内一部分节点与Sink节点进行直接通讯，其他节点经过多跳的办法把数据传送到Sink节点，依据算法调理这两部分节点数意图份额。相关优化协议^[11-12]选用操控性节点布局，一般节点在挑选簇进行参加时，归纳本身到簇首的间隔以及簇首到Sink节点的间隔等要素进行挑选。这样既考虑了节点本身的能耗，也考虑了作为中继节点簇首的能耗，构造出的巨细非均匀的簇，可缓解簇间能耗不均衡的问题。

本文在相关研讨工作的基础上，提出一种依据LEACH的节点操控散布及通讯协作多跳的路由协议算法。该算法的规划思维：平衡网络区域的能耗，选用节点非均匀布置战略；在簇首推举阶段，选用与LEACH相同的办法选举出预选簇首，之后进行簇内竞赛，让竞赛价值最小的节点成为正式簇首，有利于部分能耗的均衡；选用簇间协作多跳的传输办法把数据传送给会聚节点，并在树立簇间多跳路由时归纳考虑节点的能量和通讯价值，以节约传输阶段的能耗。

2 网络节点的非均匀散布操控

2.1网络模型与假定

文章假定网络的监测区域为圆形，一切的节点是同构，且节点的初始能量（近似）持平，均为Eore，会聚节点坐落监测区域的中心，传感器节点选用操控式非均匀布置；簇首对簇成员的数据进行交融处理，对同级数据转发选用bypass办法；节点Tx power皆可自行调整。

节点散布操控战略：

1)半径为R的圆形区域区分为M个同心的圆环，如图1，区域记为{Ci1,Ci2,…,Ci0}，圆环的外侧边到圆心的半径记为{ρ1,ρ2,…,ρ0}。总数为N的传感器节点均匀散布在各圆环中，用Ni表明第i层圆环中传感器节点的数目，则N1=N2=…=NO=N/O，且N1+N2+…+N0=N；

2)每层圆环中，节点依概率P当选为簇首，每层圆环内的簇首数目Ni_ch近似持平，即N1_ch=N2_ch=…=NM_ch=P×N/O；

3)数据传输阶段，外层环中的数据经过挑选内层环内节点作为中继，逐层转发，传递到会聚节点,内层环的节点密度要大于其相邻的外层圆环节点密度。

图1 节点非均匀布置与网络区分示意图

2.2网络节点的能耗剖析

选用与文献相同的能量耗费模型，节点发送数据的能耗ETX包括电路能耗、信号扩大能耗，与传输的间隔相关，当传输间隔较近时，选用自由空间耗费模型，不然选用多径式微模型。

节点接纳l比特的数据能耗为：

   （1）

节点进行数据交融处理的能耗为：

   （2）

其间，E_dpb表明每比特数据交融处理的能耗；m为交融处理的数据包的数目。

在圆形网络模型中，每层圆环内节点数持平，但宽度不相同；圆环内的簇数目相同但簇的半径不同，离Sink节点较近的圆环具有较大的节点散布密度。假定圆环Ci中的节点散布密度为ρi，则从最里层的圆环C1到最外层的CO节点散布密度逐步下降，即：ρ₁>ρ₂>…>ρ_i>…>ρ_O。

（1）圆环中的簇半径R_ch：

假定圆环C_i的面积为S_i，节点的最大通讯半径为r_max，则依据网络掩盖的连通性要求，以及节点的物理条件的约束，圆环C_i的簇半径R_{i_ch}需求满意：

   （3）

这是由于在环Ci中，要彻底掩盖，就使每个簇的掩盖的面积≥S_i/N_{i_ch}，这儿假定：

   。      （2）

第i层圆环簇内成员节点到簇首节点的间隔平方的希望   ：

（4）

假定簇的面积为Si_ch，可知簇内节点散布的概率密度ρ为：

   （5）

然后：

（6）

（3）第i层圆环中的簇首节点到圆心会聚节点的间隔的希望E(di)：

（7）

其间，r0=0, 1≤i≤M。

（4）第i层圆环中的簇首节点到第i-1层圆环中的簇首节点间隔di的希望E(Δdi)：

（8）

（5）最外层环收集一帧数据的总能耗E_O为：

   （9）

（6）非最外层圆环C_i的能耗E_i，包括本环内的数据发送能耗E_{i_self}和外层环数据的转发能耗E_{i_fw}：  

   （10）

其间，d0为空间传输间隔常数。当Δd_i<d₀时，n取2，ε取自由空间衰减系数ε _fs；不然n取3，ε取多径衰减系数ε _mp。

由节点的初始能量E_ori和每层圆环中节点的数目可知，每层圆环中节点总初始能量持均匀为E_ori×N/M。为了完成每层圆环中节点的能耗均衡，防止能量空泛的呈现以及进步网络的生计周期，节点的拓扑应：

   （11）

依据要求调理每层环的面积，即调理圆环半径ri，便可完成每层环内节点的能耗均衡。

2.3节点散布操控散布协作分簇路由算法（CHMA）

2.3.1 簇首的推举

预选簇首的推举和经典LEACH算法相似，当预选簇首树立之后，树立相应的簇。再依k（是常数，为节点剩下能量对竞赛价值的影响程度，本文中取k=1）的挑选，进行一次簇内的竞赛，竞赛价值最小的节点成为终究的正式簇首，竞赛价值考虑节点的剩下能量和其到预选簇首的间隔，为：

   （12）

详细竞赛过程为：

1）依照随机算法发生网络预选簇首；

2）节点等候其他簇首的播送音讯，并依据接纳音讯的信号强度确认参加簇。假如在必定的时间内未接纳到簇首的播送音讯，则自己宣告成为簇首；

3）预选簇首播送Msg音讯，该音讯包括自己的ID和剩下能量Ei；

4）其它节点j依据接纳信息的信号强度挑选参加簇，并核算与预选簇首间的间隔dj2ch；

5）簇内成员节点和预选簇首进行剩下能量的比较，假如自己大于预选簇首，则向簇首发送簇内竞赛的音讯MSG_compete，该音讯包括节点的当时能量，以及其到预选簇首的间隔dj2ch。

6）预选簇首对簇内节点的竞赛音讯依据式（12）核算竞赛价值，竞选价值最小者成为正式簇首。

图3 簇内竞赛流程