葉繼華,王 文,江愛文
(江西師范大學計算機信息工程學院,南昌330022)
無線傳感網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)是一種自組織、多跳路由、動態(tài)、以數(shù)據(jù)為中心的大規(guī)模網(wǎng)絡[1]。無線傳感器網(wǎng)絡路由技術是當今國內(nèi)外研究的重點和熱點,其設計的首要目標是提高能量有效性,延長網(wǎng)絡生命周期[2]。WSN低功耗路由協(xié)議負責在Sink點和其余節(jié)點間可靠地傳輸數(shù)據(jù)[3]。LEACH[4]協(xié)議是層次型無線低功耗路由協(xié)議的典型代表?,F(xiàn)今的很多經(jīng)典都是受LEACH協(xié)議的成簇思想啟發(fā)而來,比較有代表性的主要有HEED[5]、EECS[6]、PEGASIS[7]、EEUC[8]、TEEN[9]等。HEED是一種在LEACH協(xié)議基礎上的改進協(xié)議,利用迭代的方式改進了簇頭選舉方法。但是,HEED算法在簇頭選舉階段采取迭代的方式,增加了能量消耗,在采用單跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)募僭O下,其性能尚不如LEACH。EECS協(xié)議具有控制消息開銷小,聚類在空間上分布近似均勻,網(wǎng)絡能量有效利用率高等特點。但是,EECS也存在容易造成簇頭分布漏洞、節(jié)點加入簇首未考慮節(jié)點剩余能量等問題。PEGA?SIS算法繼承了LEACH的動態(tài)選舉方法并加以改進,減少了因經(jīng)常選舉簇頭而產(chǎn)生的能量浪費,并采用鏈式路由。TEEN協(xié)議采用與LEACH協(xié)議相同的分簇算法,但是在數(shù)據(jù)傳輸階段使用不同的策略,通過設置軟、硬兩個閾值來減少數(shù)據(jù)的發(fā)送次數(shù)。EEUC是一種非均勻分簇的路由協(xié)議,考慮到靠近基站的簇頭需要轉發(fā)其他簇頭的信息從而造成更多的能量消耗,通過競爭半徑的計算,使得距離基站遠的簇頭具有更大的競爭半徑形成更大的簇,但是EEUC對于節(jié)點與基站之間的距離等全局信息有很高的要求,這限制了其應用尤其是大規(guī)模應用的意義。Kodali R K等人針對LEACH協(xié)議不適合大規(guī)模網(wǎng)絡問題,提出了多層次機構的LEACH協(xié)議,一定程度上解決了LEACH協(xié)議在超大范圍網(wǎng)絡 的 應 用[10]。Sapna Gambhir等 人 提 出 了 Op-LEACH[11]協(xié)議,這是一種針對穩(wěn)定期的改進,讓高信息量的節(jié)點占用其他不傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點的時間槽進行額外通信,可以有效降低數(shù)據(jù)傳輸延遲,提高數(shù)據(jù)傳輸效率。馬建樂等人提出了基于位置與剩余能量的LEACH-LC[12]算法,與LEACH-C算法類似并在向BS提交的信息中增加剩余能量及與BS的距離等信。針對無線傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡能量損耗不均的問題,陳曉娟等人提出了一種基于LEACH的改進節(jié)能路由協(xié)議 LEACH-PSOC[13]。
本文針對感知異構的傳感器網(wǎng)絡,以LEACH協(xié)議為基礎,提出了基于簇內(nèi)可變通信周期的能量均衡改進協(xié)議—ACPSEB-LEACH協(xié)議,在收集實際數(shù)據(jù)的基礎上進行的仿真結果表明,改進后的協(xié)議在延長網(wǎng)絡生存周期、平衡全局能量上有更好的效果。
LEACH協(xié)議的全稱為低功耗自適應集簇分層型協(xié)議,為層次路由協(xié)議的典型代表。該算法基本思想是:以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點,將整個網(wǎng)絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中,從而達到降低網(wǎng)絡能源消耗、提高網(wǎng)絡整體生存時間的目的。
LEACH算法分為三個部分:①簇頭選舉;②簇成員加入成簇;③簇的路由。選舉時,每個節(jié)點產(chǎn)生一個介于0和1之間的隨機數(shù),如果這個數(shù)小于閾值T(n),該節(jié)點成為簇頭。
式中為T(n)的計算方法,其中p表示網(wǎng)絡中的簇頭比例,r表示輪數(shù),集合G表示前1/p輪沒有當選簇頭的節(jié)點集合。但LEACH算法存在如下不足:①LEACH算法的隨機簇頭選舉會造成簇分布不合理,全局能耗不均,特別是離基站遠的節(jié)點更容易過早死亡。②擴展性差。由于簇頭與基站采取的是單跳的通信方式,使其不適合大規(guī)模網(wǎng)絡的應用。③適應性差。無線傳感器網(wǎng)絡的應用場合多樣,每種應用的要求可能完全不同。全網(wǎng)幾乎統(tǒng)一的采樣、傳輸周期使其不能適應現(xiàn)場應用的復雜環(huán)境,降低了算法的實際應用意義。
ACPSEB-LEACH協(xié)議節(jié)能思想是:依據(jù)實際感知信息特點,抑制節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送量,從而造成各類節(jié)點之間以及較遠地區(qū)的同種節(jié)點之間的能耗差異,以此差異來進行簇頭、成簇優(yōu)化。實現(xiàn)網(wǎng)絡能量均衡,延長網(wǎng)絡生存時間。
在ACPSEB-LEACH協(xié)議中:在每一個簇頭選舉開始階段,所有節(jié)點都是普通節(jié)點。這里,對于所有節(jié)點引入節(jié)點活躍度L(i)表示節(jié)點i的前一段時間的總體活躍程度、引入AL(i,r)∈(0,1]表示節(jié)點第r輪當輪的活躍度。當AL(i,r)為1時表示節(jié)點處于最活躍階段,每一次屬于自己的時隙該節(jié)點都上交數(shù)據(jù)包;該值越小表示節(jié)點越不活躍,有部分屬于自己的時隙該節(jié)點并未選擇與簇頭進行通信,從而節(jié)約了能耗;0表示節(jié)點完全不活動,即代表節(jié)點已經(jīng)死亡。
ACPSEB-LEACH協(xié)議同樣分三個部分:①簇頭選舉;②簇的形成;③數(shù)據(jù)傳輸。
ACPSEB-LEACH的簇頭選舉分為兩階段:第一階段是臨時簇頭選舉;第二階段是最終簇頭選出。
階段一:臨時簇頭選舉。
選舉時,每個存活節(jié)點產(chǎn)生一個介于0和1之間的隨機數(shù),如果這個數(shù)小于閾值T(n),該節(jié)點成為簇頭。這里,我們使用上文中提到的節(jié)點活躍度L(i)作為參數(shù),構建一個修正函數(shù)G(n,r)對T(n)進行修正,如式(2)所示。
其中G(n,r)計算方法如式(3)所示。
其中Lavg表示全局節(jié)點平均活躍度,a、b均為可調(diào)整變量。引入G(n,r)的目的是使得高活躍度節(jié)點當選簇頭大大降低,低活躍度度階段當選簇頭節(jié)點概率大大增加,從而平均能量消耗,延長網(wǎng)絡存活時間,使得第一個死亡節(jié)點的時間得到延后。對于節(jié)點活躍度有兩種設定方法:①在網(wǎng)絡的初始部署階段,依據(jù)各種節(jié)點采集數(shù)據(jù)的現(xiàn)實需求與相關設計規(guī)范,可以對各類節(jié)點的采樣、發(fā)送周期進行區(qū)分設計,依據(jù)設定好的發(fā)送周期計算出固定的節(jié)點活躍度。②無法明確各類采集數(shù)據(jù)的具體要求時,也可以全網(wǎng)采用統(tǒng)一的最小采樣、通信周期,即全部節(jié)點初始活躍度為1,依據(jù)本文中的算法進行自我調(diào)整。
階段二:最終簇頭選出
由于引入了修正函數(shù),可能會出現(xiàn)簇頭過密集的現(xiàn)象,前期低活躍度節(jié)可能會集體當選簇頭、后期前幾輪未當選的高活躍度節(jié)點也會出現(xiàn)同時當選的情況,因此在臨時簇頭選舉之后引進競爭半徑Rc(i)來進行簇頭調(diào)整,以確定最終簇頭,只有在競爭半徑Rc(i)以內(nèi)的節(jié)點才能接收到該臨時簇頭的當選信息。Rc(i)的計算[4]如式(4)所示:
其中,S為該區(qū)域的面積,kopt為最佳簇頭數(shù)目,Lavg表示全局節(jié)點平均活躍度。
節(jié)點i當選為臨時簇頭后,按如下步驟進行調(diào)整:①依據(jù)公式(4)計算自身競爭半徑Rc(i)。②若臨時簇頭i收到臨時簇頭j的當選消息,判斷兩者之間的距離d(i,j)與自身競爭半徑Rc(i)之間的關系。若Rc(i)<d(i,j)臨時簇頭i將退出競選,發(fā)送退出競選消息。③調(diào)整之后,未退出的臨時簇頭當選為正式簇頭,向以自己為圓心,競爭半徑為Rc(i)的圓形區(qū)域廣播當選消息,接收其他節(jié)點的加入請求。
通過以上方法,在出現(xiàn)簇頭競爭區(qū)域相沖突時可以保證高活躍度臨時節(jié)點總是收到低活躍度節(jié)點的當選消息,那么高活躍度節(jié)點將向外發(fā)送退出競選消息,自動成為普通節(jié)點,就大大降低了高活躍度節(jié)點的能量消耗。
高活躍度節(jié)點當選簇頭后,其能量消耗非常快,為了平衡全局能耗,延長網(wǎng)絡存活時間,要盡量延長高活躍度節(jié)點的存活時間,因此普通節(jié)點接收到正式簇頭后,綜合考慮距離、活躍度、剩余能量等因素選擇最佳的簇頭加入。對于節(jié)點i,接到正式簇頭j的當選通知后,計算自己加入該簇的成本C(i,j),選擇成本最小的簇頭加入。C(i,j)計算方法如式(5)所示:
其中w為可調(diào)節(jié)權重值,d(i,j)表示節(jié)點i到節(jié)點j之間的距離,d(j,Base)表示節(jié)點j到基站的距離。由公式可以看到,這樣的選擇方法可以降低遠離基站且高活躍度節(jié)點的簇成員數(shù)進而降低其能耗延長其存活時間;同時又考慮到節(jié)點i與簇頭j之間的距離,使得簇成員得到合理的分配。
所有簇成員加入后,簇頭為所有簇成員分配TDMA時隙并以廣播的方式通知各成員。
簇形成之后,協(xié)議運行進入穩(wěn)定階段。在該階段,普通節(jié)點按一定的周期采集信息發(fā)送給簇頭節(jié)點,簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)壓縮、融合后傳送給基站。采集、傳輸這兩步驟都是以周期為間隔的,即信息采集周期Ts以及信息發(fā)送周期Tc。為了保證數(shù)據(jù)的實時性,采集到的數(shù)據(jù)應該保證能在下一個時隙發(fā)送出去,在LEACH協(xié)議中,Ts與Tc是相等的。
在本文所提出的ACPSEB-LEACH協(xié)議中,提出了簇內(nèi)可變通信周期策略即Ts與Tc不一定相等。節(jié)點并不是每個時隙都與簇頭進行通信,以減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量。對于簇成員節(jié)點i,Ts(i)與Tc(i)的確定方式如下:
令Tc(i)=k×Ts(i),k=1,2,3…kmax
①節(jié)點每發(fā)送一次數(shù)據(jù),k自動增加1,若節(jié)點兩次采集的數(shù)據(jù)不相同,k復位為1。
②節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的條件:節(jié)點兩次采集的數(shù)據(jù)不相同或者Tc(i)超時。
③每次變更通信周期Tc,簇成員都應該在新的通信周期生效前及時通知簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點在接到其成員節(jié)點i的數(shù)據(jù)后將其保存。在Tc的持續(xù)時間內(nèi),如果節(jié)點i不發(fā)送新的數(shù)據(jù),簇頭默認使用節(jié)點i上次傳遞過來的數(shù)據(jù);如果節(jié)點i發(fā)來新的數(shù)據(jù),則更新數(shù)據(jù)及對應的簇內(nèi)通信周期。依據(jù)這樣的策略,可以依據(jù)情況決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)、多長時間發(fā)送一次,節(jié)約了節(jié)點能量。由于每個節(jié)點都知道自己在當輪的各個簇內(nèi)通信周期及持續(xù)時間,那么在每次發(fā)送數(shù)據(jù)包大小都相同的情況下,很容易得到當輪的數(shù)據(jù)發(fā)送總量。最活躍的節(jié)點每次數(shù)據(jù)采集后都執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送,假設它的數(shù)據(jù)發(fā)送量為D,對于其他次活躍節(jié)點來說,在每一輪結束階段,自己的數(shù)據(jù)發(fā)送量D(i,r-1)與D之間存在以下關系:
AL(i,r-1)表示節(jié)點i在第r-1輪的活躍度。因為節(jié)點的能量消耗是和相對長時間的節(jié)點活躍度相關的,所以對AL(i,r-1)進行算術平均,得到反映前一段時間的節(jié)點活躍度L(i),計算公式如下:
依據(jù)得到的L(i)即可在下一輪開始時,將其帶入式(3)中,以達到優(yōu)化簇頭選舉,平衡能量消耗的目的。
由于傳感器網(wǎng)絡具有很強的應用相關性,不同應用中的路由協(xié)議可能差別很大,沒有一個通用的路由協(xié)議[14]。研究無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議不可忽略其應用場景。無線傳感器網(wǎng)絡的應用場合多樣,每種應用的要求不盡相同。在多種傳感器同時采集的情況下,除了要解決網(wǎng)絡能耗等傳統(tǒng)問題還要要面對更為復雜的情況:①為了延長網(wǎng)絡生存時間,盡可能地保證采樣精度的情況下應盡量延長采樣周期[15],每一種數(shù)據(jù)的要求可能不同,LEACH等協(xié)議難以滿足這種多樣需求。②傳感器采集的同一種信息數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)可能是完全相同的,重復的傳輸浪費系統(tǒng)資源。③對于一個多類型信息采集系統(tǒng),任何一種信息的缺失都會給用戶帶來巨大的麻煩。
本實驗參照實際采集數(shù)據(jù)的結果,在此基礎上進行模擬。依據(jù)實驗室現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設備,完成了實際數(shù)據(jù)的采集。使用了實驗室中的三種傳感器,采集了光照、溫度及濕度三種信息。本次采集所使用的無線傳感器節(jié)點是CC2530節(jié)點,在TinyOS系統(tǒng)環(huán)境下,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能及數(shù)據(jù)轉發(fā)功能。光照、溫度及濕度數(shù)據(jù)的采集如圖1、圖2所示。
可以看到,實際采集到的數(shù)據(jù)都有浮動期和穩(wěn)定期。在實際采集時發(fā)現(xiàn),在一段時間內(nèi),采集到大量的相同數(shù)據(jù)。所以,依據(jù)數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗,對于本文實驗,假設監(jiān)測區(qū)域內(nèi)需要采集的物理量在每一輪內(nèi)隨采集次數(shù)count變化示意圖如圖3所示。模擬數(shù)據(jù)1、3代表部分變化部分恒定的物理量,數(shù)據(jù)2代表一直變化的物理量,數(shù)據(jù)4代表絕大部分時間恒定數(shù)值偶爾波動的物理量。由于節(jié)點活躍度L(i)衡量標準是數(shù)據(jù)的變化,所以以上四種情況基本可以涵蓋大部分情況。
圖1 光照數(shù)據(jù)采集
圖2 溫度及濕度數(shù)據(jù)采集
圖3 信號模擬示意圖
仿真實驗設定對一個邊長為200 m的正方形區(qū)域內(nèi)的4種物理信號進行周期性同時采集。設采集周期為t,每一輪的采集次數(shù)為count,則每一輪的總時長為Tr=t*count。基站位于區(qū)域中心位置,如圖4所示。
圖4 應用場景示意圖
因此,我們布置4種傳感器節(jié)點分別采集以上四種模擬信息。假設每種節(jié)點的覆蓋度相同,每一種傳感器個數(shù)為200,網(wǎng)絡總的傳感器節(jié)點個數(shù)N=800。所有節(jié)點初始活躍度都設為1。
根據(jù)WSN研究中的常見假設,本文中的網(wǎng)絡模型作如下假設[16-17]:①每個節(jié)點都具有相同的計算能力、通信能力,均具備數(shù)據(jù)聚合的能力。②若已知發(fā)送方的發(fā)射功率,接收方可以根據(jù)信號的強度計算二者間距離的近似值。③節(jié)點的最大發(fā)射功率是有限的,節(jié)點可以自由調(diào)節(jié)發(fā)射功率。④節(jié)點間的鏈路是對稱的,他們以相同的傳輸功率進行通信。⑤傳感網(wǎng)絡各節(jié)點的時間是同步的,有可靠的時間同步機制。⑥基站可以能夠和所有節(jié)點進行通信。簇頭與基站之間進行單跳或多跳方式進行通信。本文統(tǒng)一采用單跳形式。
無線傳感網(wǎng)絡中,節(jié)點的能耗大部分來自于數(shù)據(jù)的發(fā)送接收,少部分來自于發(fā)射電路損耗和功放損耗。本文采用與文獻[16]相同的的無線通信能耗模型:
式(8)表示節(jié)點發(fā)送l比特數(shù)據(jù)到距離d的接收者的能量消耗,式(9)表示接收l比特數(shù)據(jù)的能量消耗。Eelec表示發(fā)射電路的能量損耗,當傳輸距離d小于閾值d0時,采用自由空間模型,εfs表示功放所需的能量。當傳輸距離d大于等于閾值d0時,采用多路徑衰減模型,εmp表示在該模型下功率放大所需能量。
本次實驗中采用的各參數(shù)值如下[4]:所有節(jié)點統(tǒng)一初始能量,節(jié)點初始能量E0=0,Eelec=50 nJ/bit,εfs=10 pJ/(bit/m2),d0=87.7,εmp=0.001 3 Pj/(bit/m4),p=0.05。
數(shù)據(jù)融合的能耗為:
對于本文中的場景,M=200。文中提到的w,a,b依據(jù)經(jīng)驗值設定:w=0.8,a=2.8,b=5。
本文采用Matlab仿真軟件對LEACH,EECS,ACPSEB-LEACH在上述的環(huán)境下進行仿真比較。由于采用簇內(nèi)通信周期可變策略,使得實際發(fā)送數(shù)據(jù)的減少,從而節(jié)省能量,所以對所有協(xié)議都采取這樣的發(fā)送策略進行比較。
實驗比較主要依據(jù)以下幾點性能:①網(wǎng)絡生存周期;②節(jié)點平均剩余能量,該參數(shù)表征全局能量利用效率;③簇頭數(shù)據(jù)發(fā)送量,簇頭發(fā)給基站的數(shù)據(jù)越多,監(jiān)測到的信息越全面;④死亡節(jié)點構成,參與傳感的不同類型網(wǎng)絡是否基本同時開始死亡。
網(wǎng)絡的生存周期是本最重要的一個指標,三種算法的實驗結果如圖5所示。
從圖5可見,ACPSEB-LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡生存周期最長,EECS其次,LEACH最差。
圖5 網(wǎng)絡生存周期示意圖
LEACH協(xié)議由于沒有依據(jù)節(jié)點活躍度來采取相應的節(jié)能措施,同時隨機選取簇頭的方式使得簇頭分布不合理不可控,使得高活躍節(jié)點過早死亡,曲線橫向跨度非常大,實際上是不同活躍度的依次死亡造成的,網(wǎng)絡拓撲在高活躍度節(jié)點死亡后已經(jīng)不完整,后期采集上的數(shù)據(jù)意義已經(jīng)不大。LEACH協(xié)議的節(jié)點死亡細節(jié)如圖6所示。
圖6 LEACH中各組節(jié)點死亡示意圖
EECS比LEACH略有提高,雖然采取了一些能量平衡的措施,但是在本文的實驗環(huán)境中并沒有太好的效果,也存在與LEACH類似的問題。
對于ACPSEB-LEACH協(xié)議,從圖5可見,首個死亡節(jié)點大幅度延后,1600輪以后節(jié)點死亡曲線上升很快,表明網(wǎng)絡中的節(jié)點在快速死亡,整個網(wǎng)絡的能耗非常平均,ACPSEB-LEACH中各組節(jié)點死亡示意圖如圖7所示。
圖7 ACPSEB-LEACH各組節(jié)點死亡示意圖
實驗結果說明,ACPSEB-LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡生存時長效果最好,各組節(jié)點死亡時間基本一致,各類型節(jié)點之間能量消耗比較均衡。
節(jié)點平均剩余能量是衡量網(wǎng)絡中節(jié)點能量利用效率的一個標準,剩余能量越多,說明每一輪節(jié)點的消耗越少,這樣也就能夠更好的延長傳感網(wǎng)絡的生命周期。圖8表示的是三種算法的節(jié)點平均剩余能量。
從圖8中可以看出。EECS與本文提出的ACPSEB-LEACH算法有一個交叉點。本文提出的ACPSEB-LEACH協(xié)議的平均剩余能量在交叉點以前都要好于LEACH及EECS的效果,在交叉點以后低于EECS。出現(xiàn)這種情況是因為在交叉點附近,EECS與LEACH協(xié)議中的高活躍節(jié)點基本已全部死亡,留下的低活躍節(jié)點能量消耗非常少。這說明ACPSEB-LEACH協(xié)議的能量均衡,利用率高,算法收斂性快的特點。
圖8 節(jié)點平均剩余能量
可見,在有效的網(wǎng)絡生存周期內(nèi),本文提出的ACPSEB-LEACH協(xié)議的平均剩余能量要高于其他兩種。
考慮到傳感網(wǎng)絡的應用環(huán)境,簇頭向基站發(fā)送的數(shù)據(jù)量也是一個重要的指標,對比三種協(xié)議的基站數(shù)據(jù)接收量,如圖9所示。
圖9 簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)量
由圖9可以看到,在采用簇內(nèi)可變周期數(shù)據(jù)發(fā)送策略的情況下,ACPSEB-LEACH協(xié)議依然可以傳送大量數(shù)據(jù)包到達基站,同時保證了采集的數(shù)據(jù)量和能量的節(jié)約。
綜上所述,ACPSEB-LEACH協(xié)議在網(wǎng)絡生存周期,節(jié)點平均剩余能量,發(fā)送數(shù)據(jù)量上都有一個很好的效果,對比LEACH及EECS有很大的提高。
本文考慮了一種接近真實的多種數(shù)據(jù)同時采集的網(wǎng)絡環(huán)境,提出一種適用于周期性、長期性信號采集應用的低功耗路由協(xié)議ACPSEB-LEACH。該協(xié)議從LEACH協(xié)議的穩(wěn)定階段及成簇階段對LEACH協(xié)議進行改進,運行過程中能夠自我調(diào)整節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送周期,從而滿足低功耗與信息感知的雙方面要求。仿真表明,改進后的協(xié)議在延長網(wǎng)絡生存周期、平衡全局能量上有很好的效果。更為重要的是,本文思路為以后進一步對無線傳感網(wǎng)絡低功耗路進行研究提供了一個科學地、可供參考的方法,此策略在多跳傳輸及大規(guī)模網(wǎng)絡擴展方面依然有極大的改進空間。
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