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1、一种基于非均匀分簇的无线传感器网路路由协议目录 摘 要- ABSTRACT- 引 言- 1相关工作-1 2问题描述-3 3基于非均匀分簇的路由机制-5 4 EEUC 的分析-9 5实验结果及分析-11 6结论和进一步工作-15 致谢-16 参考文献-17摘要 在路由协议中利用分簇技术可以提高无线传感器网络的可扩展性。当簇首以多跳通信的方式将数据传输至数据汇聚点时，靠近汇聚点的簇首由于转发大量数据而负载过重，可能过早耗尽能量而失效，这将导致网络分割。 该文提出一种新颖的基于非均匀分簇的无线传感器网络多跳路由协议。它的核心是一个用于组织网络拓扑的能量高效的非均匀分簇算法，其中候选簇首通过使用非均匀
2、的竞争范围来构造大小不等的簇，靠近汇聚点的簇的规模小于远离汇聚点的簇，因此靠近汇聚点的簇首可以为簇间的数据转发预留能量。 模拟实验结果表明，该路由协议有效地平衡了簇首的能量消耗，并显著地延长了网络的存活时间。 关键词：无线传感器网络；能量高效；非均匀分簇；路由；多跳通引言 随着微电子工艺和无线通信技术的飞速发展，无线传感器网络的研究越来越受到人们的重视。传感器网络是由部署在观测环境内的大量微型传感器节点通过无线通信方式组成的一种无线网络。组成传感器网络的节点包括数据汇聚点和传感器节点。传感器节点通常是由能量十分有限的电池供电，而且在部署后难以二次补充能量，因此传感器网络存在严重的能量约束问题。
3、所以，传感器网络协议的首要设计目标就是要高效地使用传感器节点的能量，延长网络的存活时间。 传感器节点中消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和无线通信模块等，其中无线通信消耗了大部分的能量。基于分簇的层次式路由方法在提高网络的可扩展性方面特别有效。在以分簇方式组织的传感器网络中，传感器节点的角色分为簇首和簇成员两种。簇首作为簇的中心负责簇结构的建立，收集簇成员的数据，经融合处理后发送给汇聚点。由于簇首距离汇聚点的距离一般较远，已有研究（如文献3等）表明在簇首与汇聚点之间通信时采取多跳的方式（即通过簇首组成的骨干网实现多跳路由）更有利于节约能量。然而这种做法带来了一个能量消耗不均衡的问题：在这种
4、所有传感器节点的数据都发送到汇聚点的“多对一”数据传输模式中，靠近汇聚点的节点由于需要转发大量来自其它簇的数据而负担过重，过早耗尽自身能量而失效，造成网络分割，降低网络存活时间。研究者称这个问题为“热区”（hot spots）问题。 本文设计并分析了一种新颖的基于分簇的传感器网络路由协议，其核心是一个能量高效的非均匀分簇(Energy-Efficient Uneven Clustering,EEUC)算法。路由的组织分为簇内通信和簇首与汇聚点间通信两部分：簇内通信采用单跳的方式，简单易实现；簇首与汇聚点间通信采用多跳的方式，避免长距离数据传输造成能量浪费。EEUC 算法利用非均匀的竞争半径，使
5、得靠近汇聚点的簇的成员数目相对较小，从而簇首能够节约能量以供数据转发使用，达到均衡簇首能量消耗的目的。此外，在簇首选择其路由的下一跳节点时，不仅考虑候选节点相对汇聚点的位置，还考虑候选节点的剩余能量实验结果表明，该路由协议有效地解决了多跳通信方式下簇首能量消耗不均衡的问题，优化了网络中各节点的能量消耗，显著地延长了网络的存活时间。 本文第 1 节介绍相关工作；第 2 节给出网络的模型，并讨论能量消耗的不均衡问题；第 3节全面阐述 EEUC 算法和簇间的多跳路由算法；第 4 节对 EEUC 算法的性质进行了分析；第 5 节通过实验分析了该路由协议的性能；最后是工作总结和对未来工作的展望。1 相关
6、工作 近年来，研究人员提出了多种传感器网络的分簇协议。Heinzelman 等人提出一种称为LEACH 的分簇协议5。在每个数据收集的周期（一个周期也称为一轮）开始，一小部分节点随机成为簇首。在数据传输阶段，簇首以单跳通信的方式将融合后的数据传输给汇聚点。为了提高簇的生成质量，Heinzelman 等人又提出了集中式的簇构造算法 LEACH-C 以及考虑节点能量的算法（本文称其为 LEACH-E)6等人提出的 PEGASIS 算法将网络中的节点组织为链状，数据在链上经融合处理，最后传输至汇聚点；算法需要知道每个节点的位置信息。Dasgupta 等人提出一种基于分簇的启发式算法来最大化网络的存活
7、时间，算法需要知道节点的位置信息和能量信息。Choi 等人提出两阶段分簇协议 TPC,在簇内构造多跳路由链路以节约能量。 Younis 等人提出一种混合式的分簇协议 HEED。算法首先根据节点的剩余能量来概率性地选取一些候选簇首，然后以簇内部通信代价的高低来竞争产生最终簇首。与 LEACH 不同的是，它的簇生成算法需要在簇半径内进行多次消息迭代，由此带来的通信开销比较显著。上述的这些协议均通过周期性地重新分簇，让节点轮流担任簇首，来达到网络中的节点比较均衡地消耗能量的目的。然而，从均衡节点的能量消耗以延长网络的存活时间这个目标看，先前的研究主要集中于均衡簇成员节点之间的能量消耗，没有考虑到簇首
8、间的能量消耗均衡问题。Soro 等人研究了传感器网络多跳路由中的“热区”问题，并首次提出利用非均匀分簇的思想来解决这个“热区”问题。文中所假设的网络拓扑是环绕汇聚点的两层同心圆环，内圆环中的簇首由于靠近汇聚点，需要承担数据转发的任务，因此通过减小它的簇成员数目来降低其在簇内处理中消耗的能量，为簇首间数据转发预留能量。但是他们考虑的是一个异构网络，簇首为超级节点，而且位置是事先计算好的，无需动态构造簇的操作。在单跳通信的网络中，由于簇首距离汇聚点远近的差异，也存在簇首负载不均衡的问题。在我们的先前工作 EE-CS 中，节点在选择簇首时不是简单地选择距离自身最近的簇首，而是考虑了候选簇首到汇聚点的
9、距离远近，构造出大小非均匀的簇，均衡簇首的负载。 由于传感器网络与移动自组网络在应用场景上有较大差别，需要为传感器网络设计优化的路由协议。Intanagonwiwat 等人提出的定向扩散协议是一种基于查询的路由机制。汇聚点发出查询消息，形成反向的从数据源到汇聚点的数据传输梯度。数据沿着梯度传送到汇聚点。Schurgers 等人提出了定向扩散的一个变种即基于梯度的路由算法 GBR,并设计了三种动态调整节点梯度的策略，以实现均衡的流量分布。然而这些查询或事件驱动的协议都不适用于连续性数据收集场景下的“多对一”数据传输，因此也不适合在簇首间进行数据转发使用。 与已有的研究工作相比较，本文提出的分簇协
10、议具有下列创新之处：(1)首一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议 2 次提出一个非均匀分簇的分布式算法，来解决传感器网络多跳路由中的“热区”问题。(2)不同于 LEACH,簇首通过局部竞争的方式产生，而且不同于 HEED,算法无需迭代。(3)不同于 EECS,通过选举出非均匀分布的簇首，节点组成了 Voronoi 图结构的簇。(4)为簇首间进行多跳数据转发设计了一个能量高效的路由算法2 问题描述 在这一部分，首先给出本文采用的网络模型，然后阐述用非均匀分簇机制来解决“热区”问题的思想。 2.1 网络模型 考虑一个由 N 个随机部署的传感器节点形成的网络，其应用场景为周期性的数据收集用Si
11、 表示第 i 个节点，相应的节点集合为 S=s1,s2,sN,|S|=N.我们假设： (1)数据汇聚点位于一个方形观测区域 A 的外侧。传感器节点和汇聚点 DS 在部 署后均不再发生位置移动。 (2)所有节点都是同构的，具备数据融合的功能。每个节点都有一个唯一的 标识(ID)。 (3)根据接收者的距离远近，节点可以自由调整其发射功率以节约能量消耗。 (4)链路是对称的。若已知对方发射功率，节点可以根据接收信号的强度 RSSI 计算出发送者到自己的近似距离。 我们采用与文献6相同的无线通信能量消耗模型。节点发射犾比特的数据到距离为 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，即
12、 其中 Eelec 表示发射电路损耗的能量。若传输距离小于阈值 d0 功率放大损耗采用自由空间模型；当传输距离大于等于阈值 d0 时，采用多路径衰减模型。fs、mp分别为这两种模型中功率放大所需的能量。节点接收 l 比特的数据消耗的能量为 数据融合也消耗一定的能量，用 EDF 表示融合单位比特数据消耗的能量。我们假设邻近节点采集的数据具有较高的冗余度，簇首可以将其成员的数据融合成一个长度固定的数据包，然后发送给汇聚点。 2.2 能量消耗不均匀问题 传感器网络路由协议的一个重要目标，就是要合理高效地使用网络中各传感器节点的能量，延长网络的存活时间。在以分簇方式组织的传感器网络中，路由分为簇内通信和簇首与汇聚点间通信（有时也称作簇首间通信）两部分。当簇成员与簇首之间传输数据时，可以采用单跳通信的方式，这样易于调度各成员的数据传输。当簇首向汇聚点进行长距离数据传输时，已有研究表明采用多跳路由的方式更为实际，且显著降低能量消耗。本文将簇首节点组成一个多跳路由的骨干网。靠近汇聚点的簇首在把自身数据传输给汇聚点的同时，还转发来自远离汇聚点的簇首的数据。在每一轮中，簇首消耗的能量包括簇内部处理和簇之间处理两部分。已有的分簇算法通常都是构造大小均匀的簇，以均衡簇首在簇内部进行数据处理时消耗的能量。然而由于靠近汇聚点的簇首
