基于事件触发的六边形分布式分簇多跳路由协议.doc

基于事件触发的六边形分布式分簇多跳路由协议 导读：龙源期刊网 基于事件触发的六边形分布式分簇多跳路由 协议作者：罗明玉 田杰 来源：软件导刊2014 年第 01 期摘要：针对随机分布的大规模无线传感器网络，为了减少一种基于分簇的无线传感器网络路由协议的设计龙源期刊网 基于事件触发的六边形分布式分簇多跳路由 协议作者：罗明玉 田杰 来源：软件导刊2014 年第 01 期摘要：针对随机分布的大规模无线传感器网络，为了减少能耗，延长网络生存期，提出了 一种基于事件触发的六边形分布式分簇多跳路由协议（hexagonal distributed clusterbased multihop routing protocol based on event triggering， HDCMET）。HDCMET 协议由事件触发节 点根据剩余能量来选择簇头，由簇头综合距离、能量等条件，确定六边形完成分簇；数据采集 后，簇头负责以多跳方式将数据传输给基站。由于采用了事件触发机制、六边形分簇和多跳传 输方式，大规模无线网络能高效地进行传输。仿真结果表明，在大规模网络中，HDCMET 协 议与 LEACH 协议相比明显延长了网络寿命。 关键词：无线传感器网络；路由协议；事件触发；六边形；分簇 中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2014）001002903 作者简介作者简介：罗明玉（1990-），女，武警工程大学信息工程系硕士研究生，研究 方向为无线传感器网络；田杰（1970-），女，博士，武警工程大学信息工程系副教授、硕士 生导师，研究方向为无线传感器网络、数据融合。 0 引言 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是部署在监测区域内大量的传感器节 点以自组织方式构成的无线网络。WSN 具有展开快速、抗毁性强、检测精度高、覆盖区域大 等特点，在军事、航空航天、环境监测等领域具有广阔的应用前景。但传感器节点在计算、通 信能力及能量等方面都十分有限，再加上部署环境多在人们不易到达的地方，使得节点的更换 和充电也较难实现。因此，如何减少节点能耗、延长网络生存时间是目前研究的热点问题 1。 对此，国内外学者提出了一系列的解决方案，LEACH（lowenergy adaptive clustering hierarchy）协议提出了分簇思想，实现了载荷均衡2；HCCM 协议采用了正六边形分簇的方 式，实现了多跳传输3。这两种协议都是先确定好簇的划分，再收集数据，这样划分的灵活 性不强，可能造成不必要的资源浪费，而且，在大规模无线网络环境中，簇头与基站之间的距 离一般较远，LEACH 采取簇头与基站单跳通信的方式将会造成因簇头能量不足，无法与基站 通信而产生“死亡簇”的情况4。虽然在 HCCM 中簇头与基站之间通信时采用多跳方式，节省 了能量，延长了簇的生命力，但这种做法会使得离基站近的节点因为转发大量数据而过早耗尽 能量，从而失去工作能力。龙源期刊网 为了改善这些情况，本文提出了基于事件触发的六边形分布式分簇多跳路由协议，该协议 采用 6 个点构成六边形，这种方式增加了网络的容错性，使簇内成员能够灵活地被簇外成员替 换。HDCMET 协议由事件触发节点，只有当事件进入监测区域，才能使位于监测范围内的节 点被激活，而其余节点仍处于休眠状态。此外，HDCMET 协议使用编码分区的方式，将信息 从簇头向基站多跳传输。Matlab 仿真结果表明，在大规模随机分布的无线网络中，HDCMET 协议能增加节点使用率，有效延长网络生存时间。 1 分簇多跳路由协议 1.1 网络模型 假设有大量传感器节点随机均匀分布在一个正方形区域内，基站的位置位于正方形区域的 一角上。在网络建立之初，基站会根据各节点的位置，设置一个标志（用 0、1、2表示，数 字越小表示距离越近，基站标志为 0），基站将与其距离相近的节点用统一的标志表示出来， 并通过广播的形式将标志发送给各个节点。 结合 HDCMET 协议的特点，现对无线网络传感器作如下假设5： 网络中的全部节点是 随机分布的，初始能量相同，节点的坐标由定位算法获得； 因为基站不靠电池供电，这样就 可以认为它的能量是无穷的； 节点的发射功率可根据通信双方之间的距离来动态调整； 各 个节点的监测半径 R0 相同并已知，R0 不随能量、温度等外界因素的变化而变化。 1.2 基于事件触发的六边形分布式分簇算法 当事件进入监测区域后，处于休眠状态的传感器被激活。此时，被激活的传感器先将自己 的剩余能量与 Er（能量阈值）进行比较，当小于 Er 时不发送自身位置等信息，当大于或等于 Er 时才广播自己的位置、ID 号和剩余能量。当节点接收到其余节点发来的信息时，先提取剩 余能量，将其和自身保存的最大能量 E-max进行比较，如果大于 E-max，则修改最大能量 值，并保存其位置信息；如果小于等于 E-max，则丢弃该信息5。被事件触发的传感器数目 有限，这样可以保证经过一轮比较后，在所有被触发的节点中，最大能量节点的信息是一致 的。所以，选取出来的簇头不用进行声明，其余节点可以及时向簇头发送数据。而后，簇头收 集其余各节点发来的信息，根据它们的距离、剩余能量和数据采集量选择出最接近正六边形的 5 个节点。具体算法如下： 根据正六边形的几何特性，构建的正六边形是以检测半径为边长。簇头先以自身为圆心， 以监测半径 R0 为半径，选取在该范围内的节点，再利用公式（1）对节点进行筛选。公式 （1）的具体算法为： 簇头选择距离最接近