摘 要： 針對傳感器網絡存在的節點能耗過快問題，提出了一種新的分簇路由協議EEGC。該協議底層拓撲采用分簇及簇內部分覆蓋算法，有效地降低了網絡能耗。上層拓撲采用近簇頭單跳通信、遠簇頭多跳通信的方式，緩解了內環簇頭能耗過快的問題。同時，以簇頭剩余能量決定簇及簇間路由的重構，進一步提高了控制消息的效率。仿真驗證表明，EEGC協議的網絡壽命明顯優于LEACH。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；能量控制；分簇算法；覆蓋算法；能量洞
節能問題一直是無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)的研究熱點，其中基于分簇的路由協議引起了較多的關注[1-2]。分簇協議一般采用多跳通信，但是研究發現，多跳通信會導致離Sink越近的傳感器節點的能量消耗越快[3]，這種現象導致在Sink周圍形成“能量洞”。參考文獻[4]首次提出能量洞問題在節點隨機均勻分布的環境中是不可避免的。同時，從延長網絡生命周期和網絡覆蓋率的角度考慮，參考文獻[5]重點討論了部分覆蓋算法，指出恰當的部分覆蓋可以減少冗余節點，更節省網絡能量。
針對上述問題，本文提出了一種新的分簇算法EEGC，該算法主要針對節點同構、節點隨機均勻分布的網絡環境。EEGC采用基于最小跳數的簇頭競爭方法、內環簇頭直接通信以及外環簇頭多跳通信的方式，緩解了網絡Sink節點周圍能量洞的問題。同時調用部分覆蓋算法，避免了大量冗余節點的能耗，實現了一個高效的節能通信網絡。
1 系統模型和問題分析
1.1 系統模型
本文假設n個傳感器節點隨機均勻地分布在監測區域Aarea內，節點具有相同的初始能量和能耗模型。基站部署在區域外，由位于監測區域內的Sink節點將收集的信息傳送到基站。所有節點不具有定位功能，節點的無線發射功率可控，可以根據距離來調整發射功率的大小。無線傳感器網絡的能耗主要來自于通信，所有節點發送、接收和融合數據消息的能量消耗模型見參考文獻[1]。
1.2 簇內部分覆蓋算法
定義1 服務質量q(the Desired QoS)定義為所有工作節點構成的有效監測區域面積占整個監測區域Aarea(L×L)面積的比例，即：
如果某個節點在時刻t之前收到其他節點的簇頭廣播Head消息，則節點不再廣播Head消息，直接發送Join_head消息加入該簇。若節點同時收到兩個簇頭廣播Head消息，則加入能量較大的那個簇。如果在T時刻后，節點還未收到簇頭聲明Head，則自己廣播簇頭聲明Head，宣布成為簇頭。
2.3 數據傳輸
根據簇內覆蓋算法，簇頭計算出簇內工作節點數kact=K/kexp，簇頭選擇能量較大的kact-1個成員節點，創建一個TDMA時隙調度，并把該TDMA調度廣播給這kact-1個節點。這kact-1個節點在所分配的時隙將監測數據發送到簇頭，簇內其他節點進入休眠模式。
若簇內工作節點i能量耗盡，則簇頭關閉該工作節點，并調用能量較大的休眠節點j工作，安排節點j在節點i的時隙發送信息。若簇頭節點的能量小于ECHmin，則重新競選簇頭，每個非死亡節點在半徑Rc內廣播自身能量和梯度值，然后重復2.2和2.3的步驟。簇頭節點能量閾值ECHmin為接收、融合簇內工作節點的數據消息，以及發送數據消息損耗的能量，ECHmin=(k-1)lEelec+klEDA+(lEelec+lεfsd2up)。對于每個簇，重復進行多次簇內和簇間數據傳輸，直到簇頭的剩余能量不足以維持一次數據傳輸過程時，才重新競選簇頭，這樣可以有效地提高每次分簇的效率。
簇間數據傳輸階段，每個簇頭在3Rc半徑內廣播Child消息。內環所有簇頭i(Gi≤3)直接發送數據消息給Sink節點。外環簇頭i(Gi>3)存儲接收到的Child消息，同時選擇Ej/Gj比值較大的低梯度簇頭j作為父節點，進行數據多跳傳輸。如果一條路徑失敗，則選擇3Rc范圍內的其他簇頭節點作為父節點，進行簇間信息傳遞。只有當網絡內所有節點重新進行簇的構建過程，網絡才會重新廣播Child消息構建簇間路由，否則，所有簇頭節點依照儲存的路由表傳遞數據。這種內環簇頭直接通信、外環簇頭多跳通信的方式，能夠減少內環簇頭的負載，緩解內環節點能耗過快的問題。
3 實驗驗證與仿真
為了說明算法效果，使用MATLAB對算法進行了仿真測試，仿真區域100 m×100 m，仿真場景參數如表2所示。
3.2 協議性能
圖3、圖4分別比較了EEGC協議在n=100、q=0.99/0.90以及n=400、q=0.99/0.90場景下，網絡壽命與每輪工作節點數目的關系。由圖可見，在q=0.99條件下，網絡要求更多工作節點來換取較小的QoS優勢。
圖5比較了EEGC協議和LEACH在n=100條件下的實際網絡服務質量。圖6比較了EEGC協議與LEACH在n=400條件下的實際網絡服務質量。
圖5和圖6均可表明EEGC協議在保證高服務質量的同時，網絡壽命更長。同時，比較EEGC協議在q=0.99、n=400與q=0.99、n=100兩種情況的曲線圖可知，EEGC協議在高密度環境下的網絡能耗更加均衡，網絡服務質量更高，也驗證了EEGC協議主要是針對高密度的隨機分布網絡環境。
EEGC協議采用了部分覆蓋算法調度活動節點，有效減少了冗余節點。同時，簇和簇間路由的重構都由簇頭剩余能量值決定，在高能量、高密度的網絡中，這樣可以降低反復重新構建簇及路由的能量損耗；但是在低能量、節點稀疏的網絡，這種網絡重構機制在節能方面并無優勢。同時，本協議的空分路由策略——內環直接通信、外環多跳通信，還有待改進。下一步需要研究更合理的拓撲機制，進一步節省系統能耗，延長網絡壽命。
參考文獻
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