移動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)簇頭多跳路由協(xié)議

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1、移動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)簇頭多跳路由協(xié)議作者：張緒昌謝志軍何加銘來源：《移動(dòng)通信》2013年笫06期【摘要】隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)環(huán)境小廣泛應(yīng)用，移動(dòng)環(huán)境下降低能耗成了傳感網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。通過研究移動(dòng)環(huán)境下的各種路宙協(xié)議，并結(jié)合LEACH協(xié)議自身存在的問題，提出了一種支持移動(dòng)的簇頭多跳的路由算法。該協(xié)議充分考慮了剩余能暈、速度和距離，以及簇頭選取和簇的構(gòu)成方法，提出新的權(quán)值函數(shù)，從而有效地支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議有效地均衡了節(jié)點(diǎn)能耗，提高了能量利用率，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。【關(guān)鍵詞】無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇多跳路曲算法移動(dòng)性1引言

2、傳感器在計(jì)算和無線通訊中廣泛使用，如監(jiān)測(cè)外部環(huán)境，把感知的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶可以理解的信息。傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是冃前國(guó)際科學(xué)研究的熱點(diǎn)。隨著社會(huì)的發(fā)展，在很多的移動(dòng)壞境應(yīng)用了無限傳感器，如海洋的監(jiān)測(cè)、移動(dòng)車輛的監(jiān)測(cè)、動(dòng)物的監(jiān)測(cè)等，因此研究移動(dòng)環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越重要［1-2］。傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性帶來了許多問題。如傳感器節(jié)點(diǎn)在成功部署之后由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)隨時(shí)變換位置，很容易造成拓?fù)涞淖兓煌ㄐ沛溌方⒅?，?jié)點(diǎn)移動(dòng)很容易偏離最初的位置，從而導(dǎo)致連接斷裂、路由中斷；節(jié)點(diǎn)移動(dòng)造成數(shù)據(jù)延遲發(fā)送；節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)造成路山建立的頻率增大，從

3、而増大能量的消耗，縮短了網(wǎng)絡(luò)生存吋間。因此針対移動(dòng)環(huán)境設(shè)計(jì)支持移動(dòng)性的路由I?辦議十分必要?；诜执氐穆酚蓞f(xié)議有很多。LEACH［3］的成簇思想貫穿于其后發(fā)展出的很多分簇路由協(xié)議屮，如TEEN［4］、PEGASIS［5］、APTEEN⑹都基于分簇的路由協(xié)議，但在移動(dòng)性的支持上存在不足，尤其當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增人時(shí)，缺陷就更加明顯。M-LEACH⑺是慕于LEACH提出的支持簇頭和成員節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)協(xié)議，簇頭選取時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量、位置及節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速率，但沒有在簇的建立階段解決移動(dòng)性問題。EMHR［8］算法是簇頭在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)對(duì)以通過多

4、跳傳輸，根據(jù)權(quán)值確定下一跳簇頭，這樣EMHR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中平衡負(fù)載和降低簇頭能量消耗，此協(xié)議主要是針對(duì)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。分簇技術(shù)可以避免感知節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸，通過簇頭數(shù)據(jù)融合，減少數(shù)據(jù)冗余，減少發(fā)送數(shù)據(jù)量，降低能耗，更好地支持移動(dòng)性。多跳傳輸技術(shù)是動(dòng)態(tài)自組織，利用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)建立和維持網(wǎng)絡(luò)連接。ft］于多跳技術(shù)的獨(dú)特性，無線傳感網(wǎng)絡(luò)多跳技術(shù)得到了極人的關(guān)注，大量信息表明多跳路由協(xié)議的能耗遠(yuǎn)低于單跳路由協(xié)議。針對(duì)現(xiàn)有分簇路由屮存在的缺陷，木文提出新的支持移動(dòng)的簇頭多跳路由算法，以降低能耗。2EM-CHMR算法基于LEA

5、CH-M算法，在感知節(jié)點(diǎn)移動(dòng)且基站（BS）不移動(dòng)的環(huán)境下，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)信息進(jìn)行分簇，分簇成功之后建立高效的多跳路徑，筆者提出能有效地支持移動(dòng)性的簇頭多跳路由策略（EM?CHMR,Energy-efficientMobileClusterHeadMulti-hopsRoutingprotocol）。此路由策略中，簇首向基站傳輸數(shù)據(jù)引入了多跳路山機(jī)制，讓距基站較近的簇首適當(dāng)承擔(dān)一些數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，把直接長(zhǎng)距離通信變成間接的多次短距離通信，在支持移動(dòng)下保證轉(zhuǎn)發(fā)簇首有充分的能量來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。2」分簇的模型簇頭多跳的簡(jiǎn)單模型

6、如圖1,模世中距離BS較遠(yuǎn)的簇頭可以通過建立多跳路徑與BS通信，這樣可以降低自身的能量消耗。同時(shí)距離BS較近的簇頭不需要再進(jìn)行多跳，對(duì)以肖接與BS進(jìn)行通信。模型中感知肖點(diǎn)和簇頭都可以進(jìn)行移動(dòng)，但是BS是

7、占I定位置不移動(dòng)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度大小都限制在-?定范忸內(nèi)；節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，且初始能暈相同；傳感器節(jié)點(diǎn)得到的信息，可以使用GPS或其他位置檢測(cè)方案；傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。路由算法屮利用文獻(xiàn)［9］提出的能屋消耗模型，節(jié)點(diǎn)發(fā)射kbit數(shù)據(jù)到距離為d的位置消耗的能量為：其屮，Eelec表示發(fā)端電路運(yùn)算和處理每比特?cái)?shù)據(jù)的

8、能耗；￡fs和wmp為放人器的系數(shù)；dO為臨界距離。2.2簇頭的選取簇頭選取算法是基于M-LEACH協(xié)議提出的，網(wǎng)絡(luò)模型是一個(gè)均勻的網(wǎng)絡(luò)，簇頭的數(shù)量確定方式與M-LEACH相同。根據(jù)簇頭數(shù)量把整個(gè)區(qū)域劃分為子區(qū)域，然后為每個(gè)區(qū)域選取簇頭。首先按照剩余能量利用閾值Eselect進(jìn)行篩選，避免節(jié)點(diǎn)剩余能量不足造成早死現(xiàn)象。為了讓簇頭均勻分布并對(duì)蔡個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋，把整個(gè)區(qū)域分成M個(gè)子區(qū)域，在每一個(gè)子區(qū)域屮選取一個(gè)簇頭。假設(shè)第j子區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)Nj,每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（xi,yj）,速度為vi。簇頭的最佳位置SO計(jì)算方式如下：移

9、動(dòng)方向用Bi（OO<0i<18OO）表示，意為節(jié)點(diǎn)i的移動(dòng)方向和連接節(jié)點(diǎn)指向最佳位置的直線形成的夾角（速度和肖線的最小夾角）。最佳選擇則是節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向是SO,即夾角越小越好。角度則是處理后的角度，其中Ot是角度閾值。如果簇頭移動(dòng)速度過快則容易造成簇的破壞，移動(dòng)速度慢則適合整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)速度。式（4）表示節(jié)點(diǎn)i處理后的