王衛(wèi)星　黃虹　孫道宗　李亮斌　胡子昂

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院, 廣東 廣州 510642; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部

共建教育部重點實驗室, 廣東 廣州 510642)

基于能量異構(gòu)的WSN多鏈路算法*

王衛(wèi)星1,2黃虹1孫道宗1,2李亮斌1胡子昂1

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院, 廣東 廣州 510642; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部

共建教育部重點實驗室, 廣東 廣州 510642)

摘要：為了有效均衡網(wǎng)絡(luò)能耗,提升網(wǎng)絡(luò)生命周期,提出了一種基于能量異構(gòu)的多鏈路算法EHMCA.該算法采用兩級異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)區(qū)域被劃分為若干等寬子區(qū)域,根據(jù)各層間距確定最優(yōu)簇域半徑,簇域內(nèi)根據(jù)高級節(jié)點的能量和全網(wǎng)平均能量來確定簇首的閾值,各層之間采用簇間多跳路由并行傳輸機制,因此，在整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，簇首通過層間多跳多鏈路并行傳輸方式和最優(yōu)簇域內(nèi)單跳傳輸?shù)哪Ｊ綄?shù)據(jù)傳送給基站.算法仿真結(jié)果表明,EHMCA的網(wǎng)絡(luò)性能明顯優(yōu)于其他3種算法,從而驗證了EHMCA算法的有效性和實用性.

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)分層;能量異構(gòu);分簇;多鏈路

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于災(zāi)難預(yù)測、安全管理、環(huán)境監(jiān)測、交通管制以及精細(xì)農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)采集和處理等方面[1-2].與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)相比,WSN具有以下特點和要求[3-5]:①傳感器節(jié)點成本低、部署密集、能量受限;②延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,降低節(jié)點能耗,提高傳輸效率;③根據(jù)節(jié)點初始能量的不同,WSN可分為同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò).由于WSN中的節(jié)點資源有限,要求節(jié)點能夠智能地控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?增加節(jié)點能力異構(gòu).因此,高可靠性、低開銷、易于維護(hù)的路由算法能夠有效地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能,拓展WSN的應(yīng)用領(lǐng)域[6-9].針對WSN中通信能耗大、傳輸時延長、數(shù)據(jù)冗余以及傳統(tǒng)同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)無法應(yīng)用在節(jié)點能力異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等缺陷,文中提出了一種基于能量異構(gòu)的多鏈路算法(EHMCA).首先采用兩級異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),將WSN分為兩層結(jié)構(gòu),簇首成為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的上層,普通節(jié)點成為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的底層.然后以基站(BS)為中心將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干等寬子區(qū)域,同時為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點分配唯一的層號和節(jié)點編號,根據(jù)各層間距確定最優(yōu)簇域半徑,簇域內(nèi)根據(jù)高級節(jié)點和全網(wǎng)平均能量確定閾值,并根據(jù)閾值選擇簇首,簇首廣播當(dāng)選簇頭的消息,簇域內(nèi)成員節(jié)點以單跳方式加入該簇;遠(yuǎn)離基站的層內(nèi)簇首采用簇間多跳路由并行傳輸機制向下一層簇首傳送數(shù)據(jù).因此,整個網(wǎng)絡(luò)形成了簇首通過層間多跳多鏈路并行傳輸方式和最優(yōu)簇域內(nèi)單跳傳輸?shù)哪Ｊ綄?shù)據(jù)傳送給基站.最后通過仿真驗證EHMCA的性能和有效性.

1相關(guān)研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為平面路由算法和分簇路由算法，平面路由算法主要包括泛洪算法、閑聊算法[10]，其特點是節(jié)點功能相同、結(jié)構(gòu)簡單；分簇路由算法包括LEACH算法[11]、LEACH-C算法[12]、HEED算法[13]等，其特點是節(jié)點可拓展性強、結(jié)構(gòu)復(fù)雜.基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)(如多傳感器的信息融合技術(shù)[14])的路由算法的應(yīng)用更為廣泛.WSN低功耗單跳分簇路由算法LEACH是基于數(shù)據(jù)分層的路由算法,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.LEACH算法以動態(tài)“輪”為工作周期,每輪選擇新的簇首,通過單跳方式直接與基站通信,并運用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量,從而將網(wǎng)絡(luò)的能量損耗均勻分布在所有節(jié)點上.EACH算法中節(jié)點到基站的數(shù)據(jù)傳輸包括簇的建立和數(shù)據(jù)就緒兩個階段,節(jié)點隨機選舉簇首、簇成員節(jié)點根據(jù)事先設(shè)置的時分復(fù)用(TDMA)時間表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸給簇首,簇首將接收到的數(shù)據(jù)融合后直接傳輸給基站,在一定程度上減少了通信能耗,均衡分擔(dān)了路由任務(wù),延長網(wǎng)絡(luò)壽命.LEACH算法簇首選舉的隨機性導(dǎo)致了簇首分布不均勻、網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載不均衡、未考慮節(jié)點的剩余能量,使得單跳模式下的LEACH算法只適用于較小的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)及突發(fā)性的通信網(wǎng)絡(luò).

圖1　LEACH算法的分簇結(jié)構(gòu)Fig.1　Clustering structure of LEACH algorithm

PEGASIS[15]是傳感信息系統(tǒng)中一種高效收集能量信息的算法,由LEACH算法發(fā)展而來,其結(jié)構(gòu)如圖2所示.為避免頻繁地選舉簇首,PEGASIS算法采用了貪婪算法,將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點組織成一條鏈,形成一個簇首,通過有效的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來減少簇內(nèi)直接與基站通信的節(jié)點數(shù)量,均衡網(wǎng)絡(luò)能耗.采用PEGASIS算法的網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點是同構(gòu)且靜止的,節(jié)點通過信號強弱和能量大小來確定其位置信息,相鄰節(jié)點了解彼此之間的位置信息,并選擇距離最近的鄰節(jié)點作為下一跳節(jié)點,靠近基站的節(jié)點被選為簇首節(jié)點,采用最佳鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來減少數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,使得其網(wǎng)絡(luò)生命周期優(yōu)于LEACH算法.然而,固定不變的簇首是整個通信過程中的瓶頸,鏈路過長導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時延.

圖2　PEGASIS算法的鏈路傳輸結(jié)構(gòu)Fig.2　Chain-transmission structure of PEGASIS algorithm

HEE-PEGASIS算法[16]的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布如圖3所示,該算法結(jié)合了LEACH算法的簇首選擇及網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分和PEGASIS算法的鏈路傳輸數(shù)據(jù)的思想,網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點采用貪婪算法的思想,以距離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點為鏈路的鏈尾,距離基站最近的節(jié)點為鏈路的鏈?zhǔn)?根據(jù)節(jié)點自身位置信息和鄰節(jié)點的位置信息依次加入該鏈路,直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都加入該鏈路.HEE-PEGASIS算法縮短了節(jié)點與簇首之間的通信距離,簇間建立以基站為樹根的層次路由樹結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,以固定輪次進(jìn)行簇的重組.其優(yōu)勢在于利用靜態(tài)分簇優(yōu)勢減小開銷、采用多跳方式向基站發(fā)送數(shù)據(jù)以及將整個區(qū)域分成多個等寬區(qū)域以節(jié)省簇首節(jié)點的能量消耗,提高節(jié)點能量的有效性.

圖3　HEE-PEGASIS算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布Fig.3　Distribution of network nodes of HEE-PEGASIS algorithm

2EHMCA的網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 　EHMCA的提出

LEACH算法中簇首與基站的直接通信增加了網(wǎng)絡(luò)能耗和數(shù)據(jù)傳輸時延,PEGASIS算法中鏈?zhǔn)椎奈ㄒ恍詫?dǎo)致鏈?zhǔn)坠?jié)點能耗過大,縮短網(wǎng)絡(luò)生命周期.為此,文中提出了基于能量異構(gòu)的WSN多鏈路算法(EHMCA),該算法包括簇的建立和穩(wěn)定傳遞兩個階段.根據(jù)WSN的特點,文中主要通過以下措施來優(yōu)化算法的網(wǎng)絡(luò)性能,包括均衡節(jié)點能量、拓展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、減少通信能耗、延長網(wǎng)絡(luò)壽命.

(1)劃分節(jié)點層次區(qū)域.將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干均衡子區(qū)域,以匯聚節(jié)點為中心等間距沿縱軸將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為K層,同時為每層中的每個節(jié)點分配唯一的層號和節(jié)點編號,節(jié)點隨機分布于K個等寬子區(qū)域內(nèi).

(2)選擇簇首.假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是兩級異構(gòu)的,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為普通節(jié)點和高級節(jié)點,普通節(jié)點的初始能量配置低于高級節(jié)點.文中根據(jù)子區(qū)域中節(jié)點層次的坐標(biāo)、高級節(jié)點的剩余能量、最優(yōu)簇域半徑和節(jié)點自身坐標(biāo)來確定該層的簇首,簇首根據(jù)最優(yōu)簇域通信半徑進(jìn)行廣播,使相應(yīng)的成員節(jié)點建立連接并組成簇.

(3)搭建簇間路由.網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點了解相鄰層簇首的位置信息,第k層簇首節(jié)點通過比較與第k-1層簇首節(jié)點的距離和剩余能量信息來選擇下一跳鏈路節(jié)點.在鏈路選擇傳輸過程中,在相鄰下一跳簇首節(jié)點處進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,簇首節(jié)點通過多跳鏈路并行傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點,從而完成整個網(wǎng)絡(luò)的搭建.

(4)組建網(wǎng)絡(luò)模型.在100×100的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中,節(jié)點隨機分布于K層中,網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點根據(jù)位置信息和剩余能量信息來確定分簇的結(jié)構(gòu),根據(jù)層間距確定簇首傳輸?shù)穆窂?從而確定節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域模型,如圖4所示.

圖4　EHMCA的分簇及傳輸結(jié)構(gòu)Fig.4　Clustering and transmission structure of EHMCA

2.2　算法分析

2.2.1能量模型

假設(shè)所選取的M×M網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)部署的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量是異構(gòu)的,基站遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)區(qū)域且具有充足的能量.在WSN中,可根據(jù)發(fā)射端和接收端的距離d來采用不同的能耗模型[17]:

(1)

式中,Etx為節(jié)點發(fā)送L比特的數(shù)據(jù)到距離d的位置所消耗的能量,由發(fā)射電路損耗的能量Eelect和功率放大損耗能量εfs、εmp組成.若傳輸距離d

(2)

第i層成員節(jié)點j的數(shù)據(jù)傳輸能耗為

(3)

傳輸總能耗為

(4)

由式(4)可知,ri越大,簇域面積越大,簇內(nèi)節(jié)點傳輸?shù)目偰芎脑酱?也就是該層的總能耗越大.因此,只有簇半徑取最小值M/(2K)時,該層的能耗才最小,從而K層簇內(nèi)成員節(jié)點的能耗才最小,達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的目的.

在EHMCA中,傳感器節(jié)點的能量是異構(gòu)的,高級節(jié)點消耗的能量要超出普通節(jié)點消耗的能量,節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)到基站所消耗的能量就是整個網(wǎng)絡(luò)消耗的能量[18].設(shè)離基站最遠(yuǎn)的為第K層,第K層簇首節(jié)點CHK與基站的距離為dK(dK>d0),第K-1層簇首節(jié)點CHK-1與基站的距離為dK-1(dK-1

ECHK=(N/K-m)LEelect+(N/K-m+1)LEDA+

(5)

CHK-1向第K-2層簇首節(jié)點CHK-2發(fā)送數(shù)據(jù)的距離為rK-1=dK-1-dK-2(rK-1

ECHK-1=(N/K-m)LEelect+(N/K-m+1)LEDA+

(6)

ECH1=(N/K-m)LEelect+(N/K-m+1)LEDA+

(7)

第K層成員節(jié)點的總能耗Enon為發(fā)送數(shù)據(jù)給該層簇首節(jié)點的能耗,即

Enon=(N/K-m)LEelect+Lεfsrmin,rmin

(8)

節(jié)點均勻分布在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中,假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)每輪消耗的能量Eround包括K層簇內(nèi)成員節(jié)點向簇首節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的總能耗、K層簇首節(jié)點接收成員節(jié)點的總能耗、相鄰層簇首節(jié)點之間并行鏈路傳輸?shù)目偰芎摹?shù)據(jù)融合的總能耗、第1層簇首節(jié)點向基站發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗,即

Eround=KEnon+mECHK+(K-1)mECHK-1

(9)

Eround=(2N-2Km+K-1)LEelect+

(N-Km+1)LEDA+

(10)

2.2.2簇的建立

初始階段簇的建立及簇首的選舉原則應(yīng)該考慮簇首選舉概率、剩余能量、簇域半徑大小.在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點的初始能量不同使得能量較多的節(jié)點當(dāng)選為簇首,簇域半徑的限制使得簇首分布更加均勻,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更加均衡,網(wǎng)絡(luò)生命周期更加延長.假設(shè)網(wǎng)絡(luò)被平均分為K層,每層區(qū)域面積相等,由于根據(jù)區(qū)域面積大小來確定該區(qū)域中簇的個數(shù),因此每層區(qū)域中簇的個數(shù)也相等.最優(yōu)簇個數(shù)Nopt為

Nopt=Sopt/Sk

(11)

式中, Sk為區(qū)域k的面積, Sopt為最優(yōu)面積.

由文獻(xiàn)[11]可知LEACH算法的最優(yōu)簇個數(shù)：

(12)

(13)

當(dāng)節(jié)點數(shù)N=100、區(qū)域邊長M=100、K=4時,可得到最優(yōu)簇個數(shù)Nopt=5,從而得到最優(yōu)簇域面積

簇首的選舉:根據(jù)LEACH-E算法的思想[19-20],考慮平均能量和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中剩余能量最大的因素,將能量比例較低的節(jié)點優(yōu)先當(dāng)選為候選簇首.LEACH-E算法選舉簇首的閾值T(n)的計算式為

(14)

式中, P為簇首占所有節(jié)點的百分比(即當(dāng)選為簇首的概率), R為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點當(dāng)前循環(huán)的輪數(shù), G為網(wǎng)絡(luò)中在1/P輪還未當(dāng)選為簇首的所有節(jié)點集合, Er(i)為第i個節(jié)點的剩余能量, E(R)為第R輪網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量.

LEACH-E算法的閾值計算綜合考慮了節(jié)點的剩余能量和位置因素,有效改進(jìn)了簇首的選舉和分布不均等問題.根據(jù)LEACH-E算法的思想,EHMCA為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的高級節(jié)點和普通節(jié)點分別設(shè)置不同的閾值,采用初始能量較高的節(jié)點和平均剩余能量高的節(jié)點優(yōu)先當(dāng)選為簇首的方法,使簇首分布均勻,從而均衡網(wǎng)絡(luò)能耗.

選取簇首后進(jìn)入成簇階段.第k層簇首節(jié)點CHk廣播自己成為簇首的消息(該消息包含唯一標(biāo)識該簇首的IDk、發(fā)送信號功率強度值和非簇首節(jié)點接收到的強度值),在第k層區(qū)域內(nèi)的成員節(jié)點選擇本區(qū)域內(nèi)離自己最近的簇首并發(fā)送加入信息,收集完加入信息后,簇首節(jié)點根據(jù)簇域內(nèi)節(jié)點的位置信息釋放TDMA時序給簇內(nèi)成員節(jié)點,簇內(nèi)成員節(jié)點根據(jù)接收到的TDMA時序信息發(fā)出答應(yīng)加入該簇的請求,直到所有成員節(jié)點都加入到該簇為止.至此,簇的建立基本完成.

2.2.3數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)簇建立完成后,簇內(nèi)成員節(jié)點根據(jù)時間序列向簇首發(fā)送數(shù)據(jù),簇首接收并融合成員節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),然后按照多跳傳輸方式向基站發(fā)送數(shù)據(jù).簇首之間的多跳路徑必須考慮每層區(qū)域內(nèi)簇首節(jié)點的剩余能量和層間簇首的距離,從而形成了第K層簇首到基站的最佳路徑.多跳路徑的搭建步驟如下:

(1)將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域均勻劃分為K層,每層簇首配對相應(yīng)的層ID信息.

(2)第k層簇首節(jié)點CHk廣播消息發(fā)送給第k-1層的簇首節(jié)點CHk-1,該消息包括第k層簇首的剩余能量信息、層ID信息、坐標(biāo).

(3)第k-1層的簇首節(jié)點CHk-1接收到CHk的消息后,將包含CHk-1的剩余能量、層ID和坐標(biāo)的消息回傳給CHk.

(4)CHk分別統(tǒng)計第k-1層簇首的回傳信息,選擇剩余能量最多、層間距離最近的簇首節(jié)點CHk-1作為下一跳節(jié)點.

(5)CHk-1收到確認(rèn)消息后,融合第k-1層簇首數(shù)據(jù)和自身數(shù)據(jù),再將融合數(shù)據(jù)傳輸給第k-2層的簇首節(jié)點CHk-2,依此類推完成下一跳節(jié)點的搭建,直到K層的簇首節(jié)點都將數(shù)據(jù)傳送至基站為止.

3仿真結(jié)果與分析

3.1　性能指標(biāo)

為驗證EHMCA的有效性及在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)越性,采用EHMCA、LEACH、PEGASIS、HEE-PEGASIS算法進(jìn)行仿真,并比較其如下性能指標(biāo):①網(wǎng)絡(luò)生命周期,指傳感器節(jié)點從開始工作到死亡的時間段；②數(shù)據(jù)傳輸量,指隨著網(wǎng)絡(luò)時間的推移,基站接收和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；③網(wǎng)絡(luò)壽命,指網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中節(jié)點開始采集信息直至網(wǎng)絡(luò)不能為觀察者提供需要的數(shù)據(jù)為止所持續(xù)的時間；④穩(wěn)定周期,指WSN節(jié)點開始采集數(shù)據(jù)直至出現(xiàn)第1個節(jié)點死亡時的時間.

3.2　仿真參數(shù)

為驗證EHMCA的優(yōu)劣性,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境為M×M,基站遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)區(qū)域,基站通過廣播根據(jù)區(qū)域內(nèi)接收到的信號強弱來判斷節(jié)點的位置信息.由于將網(wǎng)絡(luò)平均分為K層,故基站接收到的信號強弱也分為K個等級,在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)距離基站最遠(yuǎn)的層內(nèi)節(jié)點信號最弱,距離基站越近的節(jié)點信號越強,不同層次區(qū)域內(nèi)根據(jù)信號強弱的不同來隨機部署節(jié)點的位置,N個節(jié)點隨機分布于層次區(qū)域內(nèi).在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點的初始能量不同,高級節(jié)點和初級節(jié)點的部署存在一定的比例,使得網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更加均勻,高級節(jié)點數(shù)為mN(0

3.3　仿真結(jié)果分析

EHMCA和LEACH、PEGASIS、HEE-PEGASIS算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期和向基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量如圖5所示,網(wǎng)絡(luò)壽命(運行輪數(shù))如表1所示.從圖5(a)可以看出,EHMCA的生命周期最長,明顯長于其他3種算法.從網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點死亡的輪數(shù)來看,EHMCA在第2 344輪時節(jié)點才全部死亡,LEACH、PEGASIS、HEE-PEGASIS算法的節(jié)點全部死亡輪數(shù)分別為572、717、1 266.網(wǎng)絡(luò)在運行一定輪數(shù)后的死亡節(jié)點數(shù)可以反映網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量均衡情況,網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)越大且死亡節(jié)點越少說明網(wǎng)絡(luò)的能量使用效率越高,網(wǎng)絡(luò)生命周期越長.EHMCA的網(wǎng)絡(luò)生命周期明顯優(yōu)于其他3種算法的主要原因可能是:①網(wǎng)絡(luò)均勻分層縮短了簇域半徑,從而縮短了傳輸距離;②異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中高級節(jié)點當(dāng)選為簇首,均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗;③網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中采用多跳鏈路傳輸數(shù)據(jù),提高了傳輸效率.因此,EHMCA能夠提高網(wǎng)絡(luò)性能,延長網(wǎng)絡(luò)生命周期.從圖5(b)可以看出,EHMCA向基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量明顯高于其他3種算法.在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行至第5 000輪時,EHMCA的基站接收數(shù)據(jù)量約為13 000LP,而LEACH、PEGASIS、HEE-PEGASIS的基站接收數(shù)據(jù)量約為2 000LP、2 200LP、10 000LP.由此可見,EHMCA在運行過程中基站獲取消息的數(shù)量最多,并且增長趨勢穩(wěn)定,說明該算法運行穩(wěn)定,網(wǎng)絡(luò)能量使用效率高.EHMCA的基站接收數(shù)據(jù)量明顯高于其他3種算法的原因有:①簇域內(nèi)節(jié)點采用單跳傳輸、簇間采用多跳傳輸方式傳輸數(shù)據(jù),減少了傳輸距離且優(yōu)化傳輸路徑;②異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)運行時進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,減少了數(shù)據(jù)傳輸冗余.因此,EHMCA在向基站傳輸數(shù)據(jù)方面具有明顯的優(yōu)勢,能夠獲取更多的數(shù)據(jù)量.

從表1可知,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中EHMCA的數(shù)據(jù)傳輸效率、網(wǎng)絡(luò)壽命和穩(wěn)定性優(yōu)于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的其他3種算法,EHMCA的網(wǎng)絡(luò)壽命比LEACH、PEGASIS、HEE-PEGASISI算法分別延長了約80%、76%、39%.這是因為EHMCA采用了均衡分層、能耗最優(yōu)的分簇模式和節(jié)點能量異構(gòu)的策略,縮小了簇域范圍,網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)簇首的選舉綜合考慮了高級節(jié)點能量和剩余能量,使得簇首分布更加均勻,簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸可靠性和完整性增強;簇間采用了多跳鏈路傳輸方式,縮短了簇首到基站的數(shù)據(jù)傳輸距離和傳輸時延,提高了網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸效率,保證了簇首與基站通信之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性,減少了信息數(shù)據(jù)傳輸冗余,優(yōu)化了整個網(wǎng)絡(luò)的能耗和延長網(wǎng)絡(luò)壽命.

表1　4種算法的基站接收數(shù)據(jù)量、網(wǎng)絡(luò)壽命和穩(wěn)定周期對比Table 1　Comparison of base station received data,network lifetime,network stable cycle among four algorithms

圖5　4種算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期和向基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較Fig.5　Comparison of network life time and data transmitted to base station among four algorithms

4結(jié)論

基于網(wǎng)絡(luò)均衡分層、最優(yōu)簇域半徑、最優(yōu)能耗分簇,并結(jié)合簇間多跳路由算法,文中提出了基于能量異構(gòu)的WSN多鏈路算法(EHMCA).仿真結(jié)果表明,EHMCA在延長網(wǎng)絡(luò)生命周期和網(wǎng)絡(luò)壽命、提高數(shù)據(jù)接收效率、降低傳輸能耗等方面具有一定的優(yōu)越性.EHMCA在真實環(huán)境如農(nóng)業(yè)環(huán)境中如何監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境,動態(tài)更新網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求,以及EHMCA的可拓展性和靈活性測試將是今后研究的重點.

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Energy Heterogeneity-Based Multi-Chain Algorithm for WSN

WangWei-xing1,2HuangHong1SunDao-zong1,2LiLiang-bin1HuZi-ang1

(1. College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China;

2. Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machinery and Equipment of the Ministry of Education,

South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China)

Abstract:In order to balance the energy consumption of WSN effectively and improve the network lifetime, an energy heterogeneity-based multi-chain algorithm (EHMCA) is proposed. In the algorithm, a two-stage heterogeneous network is adopted first, and the network area is divided into a number of equal sub-regions. Then, the optimal domain radius of clusters is determined according to the spacing between layers, the threshold value of the cluster head is also determined based on the energy of the advanced nodes and the average energy of the whole network, and the multi-hop routing inter-cluster parallel transmission mechanism is employed between layers. Therefore, in the whole network area, the cluster head transmits data to the base station by means of the multi-hop inter-layer multi-link parallel transmission mode and the single hop transmission mode of the optimal cluster. Simulation results show that the network performance of the EHMCA is better than those of the other three kinds of protocols, which proves that the EHMCA is effective and practical.

Key words:wireless sensor networks; hierarchical network; energy heterogeneity; clustering; multi-chain

中圖分類號：TP393

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.09.012

作者簡介：王衛(wèi)星(1963-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究.E-mail: weixing@scau.edu.cn

*基金項目：國家星火計劃項目(2013GA780046);廣東省科技計劃項目(2013B020314014);廣東省自然科學(xué)基金項目(2014A030313451)

收稿日期：2015- 01-23

文章編號：1000-565X(2015)09-0074-07

Foundation items： Supported by the National Spark Project(2013GA780046)，the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2013B020314014)and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2014A030313451)