劉天琪　張寧博　姬聰敏　上官國慶

【摘要】為了緩解“能量空洞”現(xiàn)象，本文提出了一種基于移動匯聚節(jié)點的節(jié)能路由算法，在現(xiàn)有節(jié)能路由算法的基礎(chǔ)上對匯聚節(jié)點的運動軌跡和簇頭與匯聚節(jié)點的連接方式進(jìn)行改進(jìn)，增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。為了平衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能量，本文令剩余能量最大的節(jié)點成為簇頭節(jié)點。根據(jù)節(jié)點間距離的不同，本文分情況討論了節(jié)點的能量消耗，最終使用弗洛伊德算法得到了耗能最小的簇頭與匯聚節(jié)點的路由。從仿真實驗可以看出，本算法能夠有效地延長網(wǎng)絡(luò)周期，減緩死亡節(jié)點的出現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】移動匯聚節(jié)點;無線傳感網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在近幾年已經(jīng)成為信息技術(shù)的重要組成部分，而無線傳感網(wǎng)（簡稱WSN）則是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的核心部分，因此對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議和路由算法的研究也成為了熱門問題。

無線傳感網(wǎng)由許多個傳感器節(jié)點組成，可以根據(jù)不同的要求監(jiān)測不同的數(shù)據(jù)，例如溫度、濕度等，傳感器可以將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給用戶或其他設(shè)備。傳統(tǒng)路由協(xié)議的無線傳感網(wǎng)中，匯聚節(jié)點是固定的，如圖1中的紅色點所示，藍(lán)色的點表示網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點，黑色的點表示普通節(jié)點。其中簇頭節(jié)點不僅要接收來自普通節(jié)點的信息，還要將信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點，能量消耗過快，從而大大降低了這些節(jié)點的生命周期，這些節(jié)點被稱為熱節(jié)點，這種現(xiàn)象被稱為“能量空洞”，有礙于無線傳感網(wǎng)的正常工作。

為了緩解上述“能量空洞”現(xiàn)象，本文提出了一種基于移動匯聚節(jié)點的策略，避免長距離通信消耗大量能量，同時增大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。

1. 算法概述

本文規(guī)定移動匯聚節(jié)點的運動軌跡是既定的，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)部署的時間推算匯聚節(jié)點的位置。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的需求，本文人為地將網(wǎng)絡(luò)劃分為N個相等的部分，一個部分為一個簇，每個簇內(nèi)只有一個簇頭節(jié)點。在選取簇頭時，為了保持網(wǎng)絡(luò)的能量均衡，每輪都只選擇剩余能量最高的節(jié)點作為簇頭節(jié)點。同時為了擴(kuò)大信息接收的范圍，本文令匯聚節(jié)點以圓形軌跡在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)運動，且軌跡半徑為網(wǎng)絡(luò)半徑的一半。

成簇以后，每個簇的簇頭要與匯聚節(jié)點進(jìn)行通信，此時會出現(xiàn)與匯聚節(jié)點較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點，為減少能量消耗，本文首先選擇與匯聚節(jié)點較近的簇頭節(jié)點作為鏈頭，其他簇頭節(jié)點通過弗洛伊德算法計算到鏈頭耗能最小的路由，最終通過鏈頭與匯聚節(jié)點相連。

2. 算法模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文規(guī)定無線傳感網(wǎng)絡(luò)為圓形，該圓形區(qū)域的半徑為R，內(nèi)含n個傳感器節(jié)點，這些傳感器節(jié)點都完全相同且不能移動。匯聚節(jié)點的運動軌跡為與該網(wǎng)絡(luò)同圓心的圓形，且軌跡半徑r為該網(wǎng)絡(luò)半徑的一半，即：

匯聚節(jié)點的初始位置為軌跡上的隨機(jī)位置。

2.2 移動匯聚節(jié)點

無線傳感網(wǎng)的圓形邊緣記為O，移動匯聚節(jié)點的移動軌跡記為o，匯聚節(jié)點的移動速度，即線速度記為v，規(guī)定其在該網(wǎng)絡(luò)中按逆時針移動。當(dāng)匯聚節(jié)點經(jīng)過ΔT的時間間隔后，根據(jù)線速度公式和圓的特性，有：

其中表示時間內(nèi)匯聚節(jié)點移動的弧形長度，表示時間內(nèi)匯聚節(jié)點在O上變化的角度。

2.3 分簇和簇頭的選取

本文將整個網(wǎng)絡(luò)均分為N個等面積的扇形，每個扇形中的傳感器節(jié)點構(gòu)成一個簇，因此在網(wǎng)絡(luò)中共有N個簇，一個簇有一個簇頭節(jié)點。本文假設(shè)N=6，（如圖2）則有：

如圖2所示，藍(lán)色直線分出的6個相等扇形區(qū)域就是6個簇，按逆時針進(jìn)行標(biāo)號，每個簇都有一個簇頭節(jié)點，簇內(nèi)的普通節(jié)點會把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點。在選簇頭時，本文首先隨機(jī)選擇每個簇的簇頭作為候選簇頭節(jié)點nh，根據(jù)剩余能量的大小令其他節(jié)點與該節(jié)點進(jìn)行簇頭節(jié)點的競爭，如果在同一個簇內(nèi)，節(jié)點ni比nh的剩余能量大，則ni節(jié)點成為新的候選簇頭，經(jīng)過一輪比較，最后本簇內(nèi)剩余能量最高的節(jié)點成為簇頭節(jié)點ni。在圖2中，有粉色圈的節(jié)點就是簇頭節(jié)點。

2.4 能量消耗

簇內(nèi)節(jié)點與簇頭節(jié)點的通信需要消耗能量，本文只考慮傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量。傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量與距離有很大的關(guān)系，若（xi，yi）是傳感器節(jié)點ni的坐標(biāo)，（xi，yj）是傳感器節(jié)點nj的坐標(biāo)，則這兩個節(jié)點之間的距離公式為：

傳輸數(shù)據(jù)分為兩種情況，分別是普通節(jié)點與簇頭節(jié)點直接通信，普通節(jié)點與簇頭節(jié)點間接通信。

（1）普通節(jié)點與簇頭節(jié)點直接通信

首先計算普通節(jié)點與簇頭節(jié)點的距離D（ni，nl），將其與距離閾值do進(jìn)行比較，若D（ni，nl）小于距離閾值do，則采用自由空間模型，反之則采用雙徑傳播模型計算能量的消耗。因此普通節(jié)點與簇頭節(jié)點直接通信時的能量消耗公式為：

其中Ele表示射頻能耗系數(shù)，Data表示發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)長度，表示自由空間模型的功率放大電路能耗系數(shù)，表示雙徑傳播模型的功率放大電路能耗系數(shù)。

（2）普通節(jié)點與簇頭節(jié)點間接通信

當(dāng)某些普通節(jié)點與簇頭節(jié)點距離較遠(yuǎn)時，可以采用令其與其他普通節(jié)點通信的方式來間接傳輸數(shù)據(jù)。普通節(jié)點ni選擇其他節(jié)點nj，ni先將數(shù)據(jù)發(fā)送給nj，再由nj將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點nl，此時的能量消耗分為三部分，ni發(fā)送數(shù)據(jù)給nj，nj發(fā)送數(shù)據(jù)給nl，nj接收數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗公式如公式（4）所示，接收數(shù)據(jù)的能量消耗公式為：

最后，經(jīng)過多輪數(shù)據(jù)傳輸，若有節(jié)點能量消耗為0，則認(rèn)為該節(jié)點死亡，不參與后面的通信過程。

2.5 連接簇頭

匯聚節(jié)點是移動的，因此不可避免地會出現(xiàn)與匯聚節(jié)點較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點，若令所有簇頭與匯聚節(jié)點直接通信，則會導(dǎo)致簇頭節(jié)點死亡過快，出現(xiàn)“能量空洞”。對于長距離通信的現(xiàn)象，可以令所有簇頭都與和匯聚節(jié)點最近的簇頭通信，使用弗洛伊德算法選擇能耗最小的路由，再由這個最近的簇頭節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，這個距匯聚節(jié)點最近的簇頭節(jié)點稱為鏈頭節(jié)點。簇頭連接的具體步驟如下：

（1）計算每個簇頭與匯聚節(jié)點的距離，選出與匯聚節(jié)點距離最近的鏈頭節(jié)點;

（2）計算簇頭節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的耗能情況;

（3）使用弗洛伊德算法，得到耗能量最小的每個其他簇頭與的路由，并記錄路由的路徑;

（4）更新簇頭節(jié)點的剩余能量;

（5）連接簇頭和鏈頭節(jié)點，最后連接匯聚節(jié)點與鏈頭節(jié)點，至此完成所有通信網(wǎng)絡(luò)的部署。

3. 仿真實驗

本文使用MATLAB對上述算法進(jìn)行仿真實驗，假設(shè)該網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點數(shù)n=100，區(qū)域半徑r=50，匯聚節(jié)點的軌跡半徑r=25，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小為5bit。

圖3是運行結(jié)果中的其中一張圖，粉色圈表示簇頭節(jié)點，藍(lán)色圈表示該節(jié)點已經(jīng)死亡，紅色五角星表示鏈頭節(jié)點，紅色實心點表示匯聚節(jié)點的初始位置，黃色圈表示匯聚節(jié)點現(xiàn)在的位置。

由于設(shè)備的運行速度有限，本文將每輪傳輸數(shù)據(jù)的時間間隔ΔT增大，節(jié)點的初始能量減小以減少傳輸數(shù)據(jù)的輪數(shù)。在相同的環(huán)境下，通過多次運行，本文比較了本算法和傳統(tǒng)LEACH算法出現(xiàn)死亡節(jié)點的平均輪次，在大約50輪的時候LEACH算法出現(xiàn)了死亡節(jié)點，而本算法在75輪才出現(xiàn)死亡節(jié)點，由此可以證明本算法能夠較好地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳瑞睿，劉潔琳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018，000（014）：65-66.

[2]王施雨，劉唐.基于數(shù)據(jù)引流的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞避免研究[J].四川師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2019，42（01）：138-146.