無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)lech協(xié)議的分區(qū)域簇首選擇機(jī)制研究

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)lech協(xié)議的分區(qū)域簇首選擇機(jī)制研究

隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。研究的重點(diǎn)是路由協(xié)議和應(yīng)用安全。與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的側(cè)重點(diǎn)不同,傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有能量方面的約束,只專(zhuān)注于QoS的研究,而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被能量所限制,因此在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)必須考慮能量約束機(jī)制,主要目標(biāo)就是節(jié)約能量。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的具有通信和計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)以多跳和自組織的方式組成的網(wǎng)絡(luò),多用于監(jiān)控?zé)o人值守區(qū)或,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)容易、高自組織能力、很好的適應(yīng)性等特點(diǎn),這些特點(diǎn)使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在氣象、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生和很多商用領(lǐng)域有著廣闊的前景和很高的應(yīng)用價(jià)值。但是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)固有的缺點(diǎn)使得它在具體的應(yīng)用中有一些局限性,比如說(shuō)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量問(wèn)題,因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)大多數(shù)使用在無(wú)人職守區(qū)域,節(jié)點(diǎn)容量有限且不能更換電池裝置,因而節(jié)點(diǎn)在采集數(shù)據(jù)、計(jì)算能力和數(shù)據(jù)傳輸上的能力非常有限,使得在設(shè)計(jì)WSN的路由中更側(cè)重能量節(jié)約問(wèn)題,現(xiàn)有的大部分路由協(xié)議都是在尋找最小能耗的最佳路徑或者通過(guò)數(shù)據(jù)融合來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸。本文在原有的LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行分區(qū)域的簇頭選取,各個(gè)區(qū)域獨(dú)立運(yùn)行LEACH協(xié)議,并讓區(qū)域內(nèi)的簇頭之間采用多跳傳輸數(shù)據(jù)的方式,在促進(jìn)能量負(fù)載均衡的基礎(chǔ)上節(jié)約能量。1呼叫協(xié)議1.1le未來(lái)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法LEACH是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)里面最早的分簇式路由協(xié)議,它相對(duì)于傳統(tǒng)平面路由協(xié)議相比,更能高效的利用能量和有效的平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命,因此具有很高的參考和應(yīng)用價(jià)值。正因?yàn)槿绱?對(duì)基于LEACH分簇路由協(xié)議及其相關(guān)協(xié)議的研究越來(lái)越多,使得分簇式協(xié)議不斷向前擴(kuò)展。協(xié)議使用自適應(yīng)成簇和簇首節(jié)點(diǎn)輪換技術(shù),它周期性的執(zhí)行任務(wù),每一個(gè)周期分為兩個(gè)階段,分別是簇的建立階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段,建簇和穩(wěn)定運(yùn)行階段的時(shí)間比在協(xié)議中是1∶19,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于建簇時(shí)間,這也是為了節(jié)省分簇過(guò)于頻繁所照成過(guò)多的能量損失。在穩(wěn)定運(yùn)行階段,各個(gè)非簇首節(jié)點(diǎn)將按簇首分給的時(shí)隙來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇首,簇首收到各個(gè)簇成員發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后再發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn),以此來(lái)節(jié)省路由開(kāi)銷(xiāo)。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類(lèi)算法相比,LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%,是完全分布式協(xié)議,數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t很小,但是因?yàn)樗写仡^節(jié)點(diǎn)直接與Sink節(jié)點(diǎn)通信需要耗費(fèi)很多能量,因此它不能適合大范圍的應(yīng)用。而且由于簇首節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)著接受、數(shù)據(jù)融合、發(fā)送等一些列綜合任務(wù),能量的開(kāi)銷(xiāo)很大,LEACH協(xié)議為了保證分簇路由協(xié)議中各個(gè)節(jié)點(diǎn)等概率的成為簇頭而設(shè)計(jì)的。它在每一輪過(guò)后將重新選擇簇首,使網(wǎng)絡(luò)能相對(duì)均衡的消耗能量,從而達(dá)到負(fù)載平衡。所以該算法僅僅適用于每個(gè)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量基本相同的情況,而不適合突發(fā)數(shù)據(jù)通信。LEACH協(xié)議選擇簇首策略具體如下:在建簇中的簇首選擇階段,每個(gè)節(jié)點(diǎn)從0到1之間隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)和閾值T(n)進(jìn)行大小比較,如果小于閾值,將被選中成為新一輪的簇首,接著廣播自己是簇頭的消息。如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被當(dāng)選過(guò)簇首,則將T(n)置為0,這樣將不可能再當(dāng)選簇首了,閾值T(n)表示為:T(n)={p1?p*[rmod(1/p)]0n∈Gotherwise(1)Τ(n)={p1-p*[rmod(1/p)]n∈G0otherwise(1)上式中P是簇頭所占節(jié)點(diǎn)的百分比,r表示當(dāng)前的循環(huán)回合,G是最近1/p回合中沒(méi)有當(dāng)選的節(jié)點(diǎn)集合?？梢?jiàn),對(duì)于當(dāng)選了簇頭的節(jié)點(diǎn)在接下來(lái)的1/p輪中不可能重新當(dāng)選一次,T(n)的值越大,節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率越大,隨著輪數(shù)的進(jìn)行,未當(dāng)選成簇首的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率越來(lái)越大。具體的每一循環(huán)輪的實(shí)現(xiàn)步驟如下:第1步初始化階段的簇首選擇第一輪的簇首選擇,LEACH協(xié)議隨機(jī)選擇出簇首。第2步成簇階段每個(gè)被選出的簇首將向四面八方廣播自己是簇首的消息,領(lǐng)域的非簇首節(jié)點(diǎn)在接受到來(lái)自各個(gè)方向的不同簇首節(jié)點(diǎn)要求加盟的消息后,將根據(jù)各個(gè)簇首的消息信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行簇首選擇,將發(fā)送的信號(hào)最強(qiáng)的簇首節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為自己的本域簇首,因?yàn)樾盘?hào)越強(qiáng),則說(shuō)明二者之間的通信代價(jià)最小。第3步非簇首成員在決定了歸屬那個(gè)簇首之后,向該簇首發(fā)出申請(qǐng)入簇的消息,相應(yīng)的簇首將該簇節(jié)點(diǎn)收編入簇。接下來(lái)各個(gè)簇首綜合簇成員信息,設(shè)定TDMA時(shí)隙表。一旦簇成員知道了自己的時(shí)間片,將進(jìn)入穩(wěn)定的工作階段。第4步進(jìn)入數(shù)據(jù)通信階段通信階段采用CSMA機(jī)制,為每位非簇成員安排了不同的時(shí)隙,然后用廣播的方式發(fā)送給本簇的成員,簇成員一旦知道自己的時(shí)間片后就進(jìn)入穩(wěn)定的工作階段。并在自己的時(shí)間片到來(lái)時(shí)向簇首發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù),否則,啟用睡眠模式,以節(jié)省能量。第5步在得到各個(gè)成員發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后,簇首進(jìn)行綜合處理,之所以進(jìn)行處理,是因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)量非常大,而同一個(gè)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)冗余程度很高,通過(guò)這樣的處理能夠大大的減少通信量,簇頭完成數(shù)據(jù)融合后將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)。LEACH協(xié)議成簇后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下。1.2letch協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)首先從平面式路由協(xié)議到分簇式路由協(xié)議發(fā)展在整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史上是一個(gè)質(zhì)的飛躍,它比平面路由協(xié)議更能節(jié)約能量,分簇式路由協(xié)議通過(guò)設(shè)置簇首構(gòu)成一個(gè)上層連接網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離的路由轉(zhuǎn)發(fā),而簇首進(jìn)行了各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合后在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)能大大減少數(shù)據(jù)的傳輸量,通過(guò)時(shí)分復(fù)用機(jī)制,成員節(jié)點(diǎn)功能簡(jiǎn)單明確,只在到達(dá)自己的時(shí)間片后傳輸數(shù)據(jù),平時(shí)進(jìn)入睡眠模式,最終能有效的節(jié)省單個(gè)節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命,相對(duì)于平面式路由來(lái)說(shuō)已經(jīng)大大的提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。它采用將整個(gè)簇首的任務(wù)均攤與各個(gè)節(jié)點(diǎn),使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)擔(dān)任簇首,平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。但是LEACH協(xié)議在提高網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)是以加快簇首能耗速度為代價(jià)的,一旦簇首能耗過(guò)快已至耗盡,很容易造成盲點(diǎn),過(guò)早的加快節(jié)點(diǎn)的死亡速度。同時(shí)還要意識(shí)到,在簇頭選擇階段,LEACH協(xié)議采用的是在整個(gè)區(qū)域中隨機(jī)的選擇簇頭,這種方式雖然簡(jiǎn)單,但是無(wú)法保證簇頭節(jié)點(diǎn)在空間上的均勻分布,在某些情況下算法所選擇的簇頭節(jié)點(diǎn)可能集中在某一個(gè)小范圍之內(nèi),使得一部分成員節(jié)點(diǎn)無(wú)法加入任何簇或者與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)消耗過(guò)多的能量。總結(jié)LEACH協(xié)議有以下缺點(diǎn):①每一輪都進(jìn)行一次簇重組,帶來(lái)了大量的開(kāi)銷(xiāo)。②根據(jù)公式(1)的簇首選舉策略選取簇首,可能造成簇首分布不均,簇內(nèi)成員個(gè)數(shù)差異較大,使得各簇首負(fù)載不均衡,造成個(gè)別簇首較早死亡。③簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都直接與簇首通信,增加了簇首的能量消耗。④簇首也采用單跳的方式直接和基站通信,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時(shí),通信的范圍也很大,對(duì)于能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),加速了節(jié)點(diǎn)的能量消耗,降低了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。2提高算法2.1打造網(wǎng)絡(luò)帶和平臺(tái),求能量在分類(lèi)上表達(dá)不同在描述具體的算法前,先推導(dǎo)最優(yōu)化的簇首個(gè)數(shù)公式。定義分析時(shí)用到的變量:N為傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),K為簇的個(gè)數(shù);Eelec是發(fā)送或接收單位信息所需能量;dtoCH簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)到簇首節(jié)點(diǎn)的距離;dtoBS簇首節(jié)點(diǎn)到基站(BS)的距離;εfs簇成員與簇首通信時(shí)用的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播參數(shù);εmp簇首與基站通信時(shí)用的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播參數(shù);EDA數(shù)據(jù)融合單位信息所需的能量。簇首節(jié)點(diǎn)在一輪中所需能量ECH包括兩部分:接收(N/K-1)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息所需的能量以及與基站通信所需的能量:ECH=(N/K-1)Eelec+(Eelec+εmpE)簇內(nèi)單個(gè)成員節(jié)點(diǎn)在一輪中所需能量EnonCH僅包括其向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送單位信息所需的能量:EnonCH=Eelec+εfsE那么整個(gè)簇在一輪中所需能量Ecluster包括一個(gè)簇首及(N/K-1)個(gè)簇成員所需能量:Ecluster=ECH+(N/K-1)EnonCH所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在一輪中所需能量Etotal為K個(gè)簇所需能量之和:Etotal=KEclusterECH+(N/K-1)(Eelec+εfsE)=K(N/K-1)(Eelec+εfsE)(NEelec+KεmpE)即:Etotal≈2NEelec+NεfsE+KεmpE(2)模擬區(qū)域面積為A2,平均每個(gè)簇的面積為A2/K。由于每個(gè)簇實(shí)際為心簇首節(jié)點(diǎn)為中心的無(wú)線(xiàn)通信覆蓋區(qū)域,所以易求出圓內(nèi)任一點(diǎn)到加以圓心的距離的期望,進(jìn)而求出E,或者由積分知識(shí)可知:E=F/2π,又F=A2/K,可得E=A2/Kπ。E與簇的個(gè)數(shù)K無(wú)關(guān),只與基站到模擬區(qū)域中心的距離有關(guān),用常量LBS表示,代入公式(2)有:Etotal≈2NEelec+NεfsA2/2Kπ+KεmpLBS(3)對(duì)公式(3)中Etotal求導(dǎo),當(dāng)導(dǎo)數(shù)為零時(shí)求得的K值使Etotal值最小,K的取值為:Kopt=NεfsA2/2πεmpLBS??????????????√=N/2π?????√εfs/εmp??????√A/L2BS(4)Κopt=ΝεfsA2/2πεmpLBS=Ν/2πεfs/εmpA/LBS2(4)由公式(4)可以看出,最優(yōu)簇首的個(gè)數(shù)只與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N,模擬區(qū)域邊長(zhǎng)A,以及基站到模擬區(qū)域中心的距離LBS有關(guān)(εfs、εmp均為常量),可在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)設(shè)置這幾個(gè)參數(shù)。2.2nk節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中有很多針對(duì)不同應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型,因此有必要對(duì)所研究的網(wǎng)絡(luò)模型做一個(gè)假設(shè):(1)N個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散落在廣闊的區(qū)域可能是飛機(jī)撒播或者人工布置,加上一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)用于采集數(shù)據(jù)并周期性的將數(shù)據(jù)發(fā)回給Sink節(jié)點(diǎn)。(2)Sink節(jié)點(diǎn)是固定的且可以進(jìn)行無(wú)限能量補(bǔ)充,所以適合進(jìn)行任何復(fù)雜的運(yùn)算和處理各種復(fù)雜的邏輯事物,而不用考慮Sink節(jié)點(diǎn)上的能量耗費(fèi)問(wèn)題,但是Sink節(jié)點(diǎn)離整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)比較遠(yuǎn)。(3)節(jié)點(diǎn)分布好后就不再變化位置,且每個(gè)隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量和相同的事物處理能力。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量有限且不能補(bǔ)充。(4)遠(yuǎn)距離發(fā)送數(shù)據(jù)采用多跳路由能節(jié)省能量,因此在本文中,簇內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送采用單跳路由,簇間采用多跳路由。2.3基于letch協(xié)議的多跳路徑的方法(1)協(xié)議充分考慮簇頭節(jié)點(diǎn)在空間上的分布,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的大小、節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)姆秶凸?jié)點(diǎn)的分布情況將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個(gè)小的扇形區(qū)域(如圖2),之所以分成扇形區(qū)域,是考慮到讓所分的小區(qū)域結(jié)構(gòu)均衡一致,使得Sink節(jié)點(diǎn)更高效控制傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)區(qū)域(由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知范圍是圓形的,Sink節(jié)點(diǎn)的指令能幾乎同時(shí)到達(dá)各個(gè)區(qū)域,從而使各個(gè)區(qū)域的變化更一致,達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量分布均勻的目的)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淝闆r,以Sink節(jié)點(diǎn)為圓心,R為半徑(R的值為從Sink節(jié)點(diǎn)到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中最遠(yuǎn)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離),所掃過(guò)的區(qū)域?yàn)槟馨袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的最小面積。(2)由Sink節(jié)點(diǎn)將整個(gè)大的扇形均等的分為m份,即有m個(gè)區(qū)域,分別標(biāo)志為Z0、Z1、Z2、Z3、Z4…Zm、Zm-1,每份扇形獨(dú)立成為一個(gè)區(qū)域。區(qū)域劃分完后,Sink節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域信息給每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)記錄下自己的所屬區(qū)域。(3)Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)最優(yōu)簇首數(shù)公式計(jì)算出每個(gè)區(qū)域所需要分配的簇首數(shù)、各個(gè)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均距離和平均能量,并將計(jì)算所得廣播出去,同時(shí)在每個(gè)區(qū)域內(nèi)獨(dú)立的運(yùn)行LEACH協(xié)議。在具體運(yùn)行LEACH協(xié)議時(shí)候,我們?cè)谠械腖EACH協(xié)議的閾值T(n)的基礎(chǔ)上,加入了能量和距離的限制因素,在考慮能量的基礎(chǔ)上,盡可能的選取距離Sink近的節(jié)點(diǎn)作為簇首。同時(shí)參與簇首競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)的能量必須大于區(qū)域簇節(jié)點(diǎn)的平均能量,否則認(rèn)定其不夠當(dāng)選簇首條件,以防止一些自身能量不足的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首。修正后的T′(n)為:T′(n)=?????????p1?p*[rmod(1/p)]×En_currentEn_start×DaverageDtobase0n∈Gotherwise(5)Τ′(n)={p1-p*[rmod(1/p)]×En_currentEn_start×DaverageDtobasen∈G0otherwise(5)其中,En_current表示節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量,En_start表示節(jié)點(diǎn)的初時(shí)能量,Dtobae為節(jié)點(diǎn)到基站的距離,Daverage為域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均距離。G′為能量大于區(qū)域平均能量的節(jié)點(diǎn)集合,P′,r與上文公式(1)的含義相同。改進(jìn)后的閥值即考慮了能量和距離因素,又可以動(dòng)態(tài)的調(diào)整閥值,使一個(gè)在連續(xù)1/P輪中那些沒(méi)有當(dāng)選過(guò)簇首、距離Sink節(jié)點(diǎn)比較近和剩余能量多的節(jié)點(diǎn)成為簇首的概率變大。按照步驟(3)成功的為各個(gè)區(qū)域選出了簇首之后,各個(gè)簇首發(fā)出成簇的消息,簇成員在接受到邀請(qǐng)入簇的消息后,先判斷該消息是否是自己所在簇內(nèi)的簇首所發(fā)送,如果是,再根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱的情況再?zèng)Q定加入那個(gè)簇中。(4)已經(jīng)成簇之后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始與簇首進(jìn)行通信,將所采集到的數(shù)據(jù)周期性的發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn),還沒(méi)輪到自己的時(shí)間片時(shí),進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。簇頭將發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后轉(zhuǎn)發(fā)。(5)考慮到距離Sink較遠(yuǎn)的簇首直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站消耗的能量較大,所以區(qū)域內(nèi)的簇首與基站的通信采用多跳的數(shù)據(jù)傳輸方式,這樣能有效的節(jié)省能量。簇首與基站采用單跳通信,則能量損耗將采用多徑衰落模型。(6)建立多跳路徑的過(guò)程如下:簇建立后,簇頭節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的權(quán)值cost。并向它的鄰居簇頭節(jié)點(diǎn)廣播消息,消息包含其節(jié)點(diǎn)ID與權(quán)值。各簇頭節(jié)點(diǎn)將自身的權(quán)值和收到的其他簇頭發(fā)送的權(quán)值進(jìn)行比較。選擇權(quán)值大的簇頭作為父節(jié)點(diǎn)。權(quán)值最大的節(jié)點(diǎn)將成為多跳路徑的根節(jié)點(diǎn)。這樣,距離基站較近且能量足夠的簇頭節(jié)點(diǎn)將優(yōu)先成為根節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)沿著這條路徑將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并一級(jí)一級(jí)傳送到根節(jié)點(diǎn),根節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站。穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段持續(xù)一段時(shí)間后,網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入簇的建立階段,進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的簇重構(gòu)。cost的表達(dá)式為:cost=c×Eb+(1?c)Dmax?d(CHi,BS)Dmax(6)cost=c×Eb+(1-c)Dmax-d(CΗi,BS)Dmax(6)Ea和Eb分別為簇頭CHi的剩余能量和起始能量,d(CHi,BS)為簇頭CHi到基站的距離,Dmax為網(wǎng)絡(luò)中距離基站最遠(yuǎn)的距離,c為常數(shù),0<c<1,用于平衡能量參數(shù)和距離參數(shù)。顯然,剩余能量越多且距離基站近的簇頭節(jié)點(diǎn)的權(quán)值大。2.4傳感器網(wǎng)絡(luò)上的sik節(jié)點(diǎn)扇形的分區(qū)由Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行總體規(guī)劃,Sink節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)著整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)位置信息,以圖2的區(qū)域劃分圖為例,以Sink節(jié)點(diǎn)為中心的射線(xiàn)掃過(guò)整個(gè)區(qū)域,由扇形邊緣節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和原點(diǎn)之間的位置關(guān)系可得邊緣兩條邊緣射線(xiàn)所在的直線(xiàn)的坐標(biāo)方程,假設(shè)分別為Y0=K0X和Ym=KmX(m為劃分的區(qū)域個(gè)數(shù)),根據(jù)兩條邊的所在直線(xiàn)的公式可得出其余m-1條邊所在直線(xiàn)的公式,由m+1條直線(xiàn)所圍成的m個(gè)區(qū)域劃分出來(lái)后,接下來(lái)的工作是節(jié)點(diǎn)確認(rèn)自己在第幾個(gè)區(qū)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)分為兩類(lèi),一類(lèi)為區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn),另一類(lèi)為在直線(xiàn)上的邊緣節(jié)點(diǎn):(1)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)(Xi,Yi):由Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,當(dāng)Kr·Xi<Yi<Kr+1·x,即可確定該節(jié)點(diǎn)在第r+1區(qū)域,由Sink節(jié)點(diǎn)通知(Xi,Yi)節(jié)點(diǎn)的位置所在。(2)直線(xiàn)上的邊緣節(jié)點(diǎn)(Xi,Yi):Sink節(jié)點(diǎn)計(jì)算出Kr·Xi=Yi,即可得出該節(jié)點(diǎn)為邊緣節(jié)點(diǎn)的結(jié)論,并且知道該邊緣節(jié)點(diǎn)位于第r區(qū)域和第r+1區(qū)域之間。這個(gè)時(shí)候,Sink節(jié)點(diǎn)并不急于劃歸邊緣節(jié)點(diǎn)的歸屬區(qū)域,在各個(gè)區(qū)域進(jìn)行簇首選舉完成后,Sink節(jié)點(diǎn)判斷比較邊緣幾點(diǎn)與鄰近兩個(gè)區(qū)域的簇首距離,將邊緣節(jié)點(diǎn)歸結(jié)為距離比較近的簇首節(jié)點(diǎn)所在的簇。Sink節(jié)點(diǎn)將歸屬區(qū)域告知邊緣節(jié)點(diǎn)。將所有的幾點(diǎn)歸屬區(qū)域區(qū)分完成后,算法的分區(qū)域工作結(jié)束。2.5傳感器網(wǎng)絡(luò)的均勻性扇形區(qū)域可以使得所分的小區(qū)域結(jié)構(gòu)均衡一致,使Sink節(jié)點(diǎn)更高效控制傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)區(qū)域(由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知范圍是圓形的,Sink節(jié)點(diǎn)的指令能幾乎同時(shí)到達(dá)各個(gè)區(qū)域,從而使各個(gè)區(qū)域的變化更一致,達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量分布均勻的目的),而傳統(tǒng)的矩形分區(qū)在能量均衡分布上不具有這樣的優(yōu)勢(shì)。3letch仿真本文利用NS2仿真平臺(tái),采用仿真分析的方法對(duì)LEACH和LEACH-SERP進(jìn)行了仿真對(duì)比。主要分析了網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡的時(shí)間以及消耗的能量均值。3.1以sik節(jié)點(diǎn)為中心的區(qū)域仿真仿真場(chǎng)景設(shè)置如下:一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)和一百個(gè)隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在100m×100m的區(qū)域內(nèi),Sink節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(0,0),在以Sink節(jié)點(diǎn)為圓心,100m為半徑區(qū)域上進(jìn)行仿真測(cè)試。為了簡(jiǎn)化模型,將區(qū)域分為五個(gè),即m=5。圖為網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)的設(shè)置:3.2基于最優(yōu)簇首數(shù)的節(jié)點(diǎn)能量消耗從圖3可以看出,LEACH的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡是在390s左右,最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡在650s左右,而LEACH-SERP的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)在660s左右死亡,最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)在800s左右死亡?？梢?jiàn)LEACH-SERP協(xié)議有效優(yōu)化了簇首的選擇,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。主要是由于進(jìn)行了扇形分區(qū),分區(qū)所耗的能量大部分由可以補(bǔ)充能量的Sink節(jié)點(diǎn)開(kāi)銷(xiāo),無(wú)形中使得簇頭節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)減輕了,而且對(duì)原來(lái)的LEACH協(xié)議的簇首選擇