异构无线传感器网络分簇路由机制

平均传输速率为 Ｖ （＋ ） ａ为高速率节点传输速 率大 Ｏ １ａ，
于正常节点传输速率的 比例 部分 。假 设高传输速 率节 点所 占的 比例 为 Ｉ， Ｔ从能量传输模型 中，我们可以看 出 Ｉ
节 点大部分能量消耗在节点发送消息上，而且成 次方
数据 ，保证 了簇 中的通信不 出现冲突 。在簇首节点与 簇 内节 点确 定后 ，进入稳 定阶段 ，簇 内节点则将需要 传输 的数据 ，通过之前分配 的时隙传输到簇首节点 ，
ｄｆｅ ｅ ｔｒ ｌｓ ａ ｄ ｄ ｆ ｒ ｎ ｏ ｅ ａ ｅ ｄｆｅ ｅ ｔｄ ｔ ｒ ｎ ｆｒ ｒ ｔｓ ｎ ｔ ｅ ｃ ｏ ｃ ｆ ｃｕ ｔｒｈ ａ ｏ ｅ ｈ ｏ ｅ ｉ ｒｎ ｏｅ ｆ ｎ ｆ ｅ ｔｎ ｄ ｓ ｈ ｖ ｉ ｒ ｎ ａ ａ ｔａ ｓｅ ａｅ ．Ｉ ｈ ｉｅ ｏ ｌ ｓ ｅ ｄ ｎ ｄ ，ｔ ｎ ｖ ｌ ｉ ｅ ｆ ｈ ｅ ｅ ｌ ｏ ｉ ｍ ｏ ｓｄ ｒ ｆ ｅ ｔ ａ ｔ ｎ ｆｒｒ ｅ ｍｏ ｇ ｄ ｆ ｒ ｎ ｄ ｓ Ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ Ｌ ＡＣＨ ｇ ｒｔｍ， ａｇ ｒ ｈ ｃ ｎ ｉ ｅ ｓｔ ｅｄ ｆ ｒｎ ｔ ａ ｓｅ ｔｓａ ｎ ｆｅｅ ｔ ｏ ｅ ． ｏ ａ ｅ ｔ Ｅ ｔ ｈ ｉ ｅ ａ ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ｈ ｌ ｉ ａ ｏ ｈ ＲＤＣＲ
Ｒ Ｃ ｌｇｒ ｍ ｃｎｌ ｇ ｅ ｌｎ ｅ ｌｅ ｆ ｉ ｔ ｎ ｅ ｄ ｅｔ ｔｅ ｔ ｉｔ ｏ ｔｅ ｎｉ ｎｔ ｏｋｍａ Ｌ Ａ Ｈ． Ｄ Ｒａ ｏ ｔ ａ ｅ ｔ ｎ ｏ ｇｒｉ ｏ ｈｇ ｒ ｅ ｏ ａ ｂ ｔ ｒ ａｌｙ ｆ ｔｅ ｅ ｒ ｎ Ｅ Ｃ ｉ ｈ ｎｈ ｆ ｈａ ｄ ｎ ｅｈ ｓｂ ｉ ｈ ｅ ｒ ｗ
Ｃ Ｆ分簇算法 ，在 同构 网络中，相 比于 Ｌ Ａ Ｈ算 胍 Ｊ Ｅ Ｃ 法 ， Ｈ Ｆ性能提 高了 ２ ． Ｃ Ｅ ２７ ％。本文也是在 Ｌ Ａ Ｈ算 ＥＣ
法 的基础上 ，根据节 点传输速率不 同的情况下 ，对其
① 基金项 目： 福建省自然科学基金（０ ８０ ｌ） ２ｏＪ２ １； 福建省教育厅资助项Ｉ（ ０ ０ １ Ｂ ９７ ） ￣ Ｊ ９ Ｊ ００ ６ １Ｂ ７ 收稿时间： ｌ．６１； ２ １ ．４收到修改稿时ｒ：０ １ ７０ ０ ｏ ￣２ １． ．７ ０
２ １ 年 第 ２ 卷 第 ２期 ０２ １
ｈｔ：ｗ ． ｓ ．ｒ． ｔ ｌ ｗｗｃ － ｏｇｃ ｐｌ －ａ ｎ
计 算 机 系 统 应 用
徐世武 ，王
平
（ 福建师范大学 医学光 电科学与技术教育部重 点实验室 ，福州 ３ ０ ０ ） ５０ ７
摘 要： 详细分析 了经典 Ｌ Ａ Ｈ分簇算法及其优缺点后 ， Ｌ Ａ Ｈ算法 的基础上 ， ＥＣ 在 Ｅ Ｃ 针对异构无线传感器 网络 ， 即节 点承担 的角色不 同，节点传输数据率不 同的研究背景下，提 出了一种 Ｒ Ｃ 分簇 路由算法 ，算法在选择簇 ’ Ｄ Ｒ
传输速 率与频率不 同，有些节点的传输速率快 ，频率
ｌ ＬＡ Ｈ Ｅ Ｃ 分簇路 由算法分析
为了提 高整个 网络 的生存 时间，将功耗均衡 的分
高，相对 能量 消耗也快 ，有些节点 的传输速率较慢 ， 频率低 ，相对能量消耗也较慢 ，这时采用 Ｌ Ａ Ｈ 分 ＥＣ 簇协议 ，高速 率节 点必将较早死亡 ，从而影响整个 网 络的性能。因此我们应 该根据实 际情况 ，适 当的 降低
ｌ ｒｈ ａ ｕｔ ｒｓｏ ｆ ｏ ｅｔ ｂ ｌ ｔ ａ ． ｕ ｅ ｔ ｐｏ ａ ｉｔ ｎ ｅ ｕｎｙｏ ｇ ｅ ｏ ｅ ｔ ａ ｏｉ ｍ ｊｓｔｅ ｈｅｈ ｌ ｏ ｄ ｅｃ ｓ ｒ ｅｄ Ｉｒｄ ｃｓｈ ｒｂｂｌｙａ ｄｆ ｑｅ ｃ ｆ ｉｈｒｔ ｎｄ ｓｏ ｇ ｔ ｄ ｔ ｈ ｄ ｎ ｏ ｕｅｈ ｔｅ ｅ ｉ ｒ ｈ ａ
属于 自己的时隙内，成 员节点才可 以向簇首节点发送
２ ． ２簇首节点的选择 假设在一个面积 Ａ等于 Ｍ＊ 平方米内随机均匀 Ｍ 分布 Ｎ个节点，包括两类节点，一类我们称之为正常 节点，并假设在每轮中其平均传输速率 为 Ｖ ， Ｏ 令一类 节点我们称之为高传输速率节点，并假设其在每轮 中
ｐｏ ｏ ｅ ａｅ ｎＬ ＡＣＨ ｌｏ ｉ ｍ．ｔｎ ｏｖ ｓ ｈ ｅｅｏ ｅ ｅ ｕ ｉ ｌｓ ｅ ｓ ｒ ｔ ｒ ｓｉ ． ｉ ｅｅ ｔ ｏ ｅ ｌｙ ｒｐ ｓｄｂ ｓｄｏ Ｅ ａｇ ｒ ｈ Ｉ ｉｖ ｌｅ ｅｈ ｔｒ ｇ ｎ ｏ ｓ ｒ ｅ ｓ ｎｏ ｗｏｋ ，． ｄｆ ｒｎ ｄ ｓ ａ ｔ ｔ Ｗ ｅ Ｓ Ｎｅ ｅ ｆ ｎ ｐ
ｂ ｌ ｓｅ ｅ ｄ ｅ ｃｕ ｔ ｒｈ ａ ，ｗｈｃ ｅ ｇ ｅ ｉｅ ｏ ｉ ｈ ｒｔ ｏ ｅ ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ＡＴＬＡＢ ｏｆｗａｅ ｉ ｌ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏｗ ａ ｉｈ ｌｎ ｔ ｎ ｌｆ ｆｈ ｇ ａｅ ｎ ｄ ｓ Ａｃ ｏ ｄ ｎ Ｏ Ｍ ｈ ｓ ｔ ｒ ，ｓｍｕ ａｉ ｕ ｔ ｈ ｏ ｅ ｈ ｔ ｔ
穿了以后分簇路 由机 制的发展 。ＤＣ ＨＳ分簇 算法 则
是在 Ｉ Ｃ 协议的基础上 引入 了节点当前的能量与 ￣Ａ Ｈ 初始能量来降低网络中低能量节 点成 为簇 首节 点的概
率 ，从而提高 了整个 网络的性能。还有根 据节 点初始
能量异构 ，提 出的 Ｅ Ｈ 分簇算法Ｌ，根据节点初始 ＥＣ ５ Ｊ
充当过簇首节点的集合 。ｕ Ｈ 算法通过设置 Ｔｎ ＡＣ （） 值 ，以保证每个 节点在 ｌ ， Ｄ轮 内都有机会充 当一次簇 首节点 ，从而平衡了节 点的能量消耗 。其中 １ ， ｐ轮为
一
（） ￡ ｋ＝பைடு நூலகம்
ｄ ｏ＝
（ ３ ）
个 回合 。在簇首节点选择完成后 ，簇首节点通过广
播告知整个 网络 自己已经成为簇首节 点，这时网络 中 的非簇首节 点可 以根据接收到 的信号强度来决定 自己 要从属于哪个簇 ，选择信号强度最强 的源节点作为 自 己的簇首节 点，并告知相应 的簇首节 点’ 自己已经成 为簇 内组 员。簇 形成后 ，簇首通过广播方式告知 ，并 为簇 内每一个节点分配 一个 Ｔ ＭＡ通信时隙 。 Ｄ 只有在
首节 点的时候，充分考虑节 点传输数据率不同， 通过适 当的调整节点成 为簇 首的门限值 ，降低高速率节 点成为
簇首 的概率与频率 ，从而延长了高速率节点的生存时间 。通 过 ＭＡ Ｌ Ｂ软件仿真表明，相比于 Ｌ ＡＣ ＴＡ Ｅ Ｈ算法 ， Ｒ Ｃ Ｄ Ｒ算法能够延长高速 率节 点的生存时间，提高了整个 网络 的稳定期 。
无 线传 感器 网络 因其 固有 的特 性 与 能量 的有 限 性 ，设计一种节 能高效 的路 由算法迫在眉 睫【。 目前 １ 】 关于无线传感器网络的路 由协议大概 可以分为平 面路 由协议与分簇路 由协议 ，平面路 由协议，所有网络节
点的地位是平等 的，拓扑性能差 ，无法均衡整个网络 节点 的功耗 ，容易导致部分节点过早死亡而影响整个
Ｋｅ ｒ ｓ ｗｉ ｌｓ ｅ ｓ ｒ ｅｗｏ ｋ ； ｌ ｓ ｒ ｇ ｒ ｕ ｉ ｇｐ ｏ ｏ ｏ ； ＥＡＣ Ｒ ｙ ｗｏ ｄ ： ｒ ｅ ｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｓ ｃ ｕ ｔｉ ｔ ｒ ｔ ｃ ｌＬ ｅ ｓ ｎ ｅｎ ｏ ｎ Ｈ； ＤＣＲ； ｅｆ ｒ ｎ ｅａ ａｙ ｉ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｌ ｓｓ ｎ
Ｃ ｉａ ｈ ） ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈｅ ｐ ｐ ｒ ａ ａｙ ｅ ｈ ｅａｌａ ｖ ｔｇ ｓ ａ ｄ ｉａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆＬＥＡＣＨ ｇ ｒｔ ｍ．Ａ ａ ｅ ｎ ｌｚ ｓ ｔｅ ｄ ｔｉ ｄ ａ ａ ｅ ｎ ｄ ｓ ｄ ａ ｔｇ ｓｏ ｎ ｌ ｉ ａ ｏ ｈ ＲＤＣＲ ｇ ｒｔ ｍ ｓ ｌ ｉ ａ ｏ ｈ ｉ
（＝ ）
ｏｈ ｒ ｓ ｔｅｗｉｅ
（） １
距离 。∈ｆ 与 ∈ｍ ｓ ｐ为我们 使用 的天线放大模型决定。
Ｌ ａｃ ／ Ｅ ， ＋Ｌ６， ２ ｄ
，
（） ２
式（） １中，Ｐ表示在无线传感器网络 中簇头节点所 占的百分 比，ｒ 为当前循环次数 ，Ｇ是在前 １ ， 中未 口轮
点在 ０到 １之间随机选择 １个数，如 果选择 的数小于 规定阀值 Ｔｎ， （） 则该节 点就充当为簇 首节 点。Ｔｎ的计 （） 算如式（） １ 所示 。
ｉ ｆ ｎＥＧ
高速率节 点成 为簇首节 点的概率与频率 。我们根据整
个网络中节 点传输速 率的不 同，我们将整个 网络分成 两类节点 ，一类传输速 率比较高 的，我们称之为高速 率节点，另外 一类速 率相对较低 的，我们称之为正常
关键词 ：无线传感器 网络；分簇 路由协议 ；ｕ｝ Ｃ Ａ Ｈ；Ｒ Ｃ Ｄ Ｒ：性能分析
Ｃｌ ｓｅ ｉ ｇＲｏ ｔ ｇＡｌｏ ｉ ｍ ｒＨｅ ｅ ｏ ｅ ｅ ｕ ｉｅｅ ｓＳ ｎ ｏ ｔ ｒ ｕ ｔｒｎ ｕ ｉ ｇ ｒｔ ｎ ｈ ｆ ｔｒ ｇ ｎ ｏ ｓＷ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒＮｅ ｗｏ ｋ ｏ
配 到 网 络 中 的 每 个 节 点 ，麻 省 理 工 学 院 的 Ｗｅｍ ｎ
Ｒ ｂｎｒＨ ｉ ｅ ｎ等 人提 出了一种低 功耗 的 自适 应 ａｉｅ ｅ ｚｌ ｎ ｍａ
路 由协 引 Ｅ Ｃ （ ｏ Ｅ ｅｇ ｄｐｉｅ ｌｓ ｒ ｇ ，Ｌ Ａ Ｈ Ｌ ｗ－ｎｒｙ ａｔ ｕｔ ｉ Ａ ｖ Ｃ ｅｎ Ｈ ｅａｃｙ ｉ ｒｈ ）协议 。在 Ｌ Ａ Ｈ 协议 中，每个传感器 节 ｒ ＥＣ 点都有机会充当簇首节点 ，簇首节点的选择主要依据 网络中所需要的簇首节点个数与到 目前为止 每个 节点 已经充当过簇首节点的次数来判定的 。网络中每个 节
能量的不 同等级， 分别采用不同的门限值来选择簇首。 还有 ＭＥ Ｃ分簇协 议嘲，在选择簇 首节点时 ，充分考 Ａ 虑 了节点初始 能量与传输速率的不 同。还有采用模糊 逻 辑数 学原 理 ，根 据节 点 的能量 、分布 情况 提 出的
网络 的性 能，因此不太适用于无线传感器网络 。而分 簇路 由机制 ，将整个 网络动态 的分成不 同的簇 ，随机 的选择簇 首节 点，将功耗均衡 的分配到网络 中的每个 节 点，非常适合 于无线 传感器 网络的特征要求 【。在 ２ 】 目前 的分 簇 路 由机 制 中 ，Ｍｎ＇的几 位 作 者提 出 的 Ｌ Ａ Ｈ分簇算法【 ＥＣ ３ 】 应该是 比较经 典的，该算法几乎贯