一种基于非均匀分簇的无线传感器网路路由协议

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1、一种基于非均匀分簇的无线传感器网路路由协议目录摘要IABSTRACT-II引言III1相关工作12问题描述33基于非均匀分簇的路由机制54EEUC的分析95实验结果及分析116结论和进一步工作15致谢16参考文献17摘要在路山I办议中利用分簇技术可以提高无线传感器网络的可扩展性。当簇首以多跳通信的方式将数据传输至数据汇聚点时，靠近汇聚点的簇首由于转发大量数据而负载过重，可能过早耗尽能量而失效，这将导致网络分割。该文提出一种新颖的基于非均匀分簇的无线传感器网络多跳路由协议。它的核心是一个用于组织网络

2、拓扑的能量高效的非均匀分簇算法，其中候选簇首通过便用非均匀的竞争范围来构造大小不等的簇，靠近汇聚点的簇的规模小于远离汇聚点的簇，因此靠近汇聚点的簇首可以为簇间的数据转发预留能量。模拟实验结果表明，该路由协议有效地平衡了簇首的能量消耗，并显著地延长了网络的存活时间。关键词：无线传感器网络；能量高效；非均匀分簇；路由；多跳通随着微电子工艺和无线通信技术的E速发展，无线传感器网络的研究越来越受到人们的重视。传感器网络是由部署在观测环境内的大量微型传感器节点通过无线通信方式组成的一种无线网络。组成传感器网

3、络的节点包括数据汇聚点和传感器节点。传感器节点通常是由能最十分有限的电池供电，而且在部署后难以二次补充能量，因此传感器网络存在严重的能量约束问题。所以，传感器网络协议的首耍设计冃标就是耍高效地使用传感器节点的能量，延长网络的存活时间。传感器节点中消耗能量的模块冇传感器模块、处理器模块和无线通信模块等，其中无线通信消耗了大部分的能量。基于分簇的层次式路由方法在提高网络的nJ扩展性方面特別有效。在以分簇方式组织的传感器网络中，传感器节点的角色分为簇首和簇成员两种。簇首作为簇的屮心负责簇结构的建立，收集

4、簇成员的数据，经融合处理后发送给汇聚点。由于簇首距离汇聚点的距离一般较远，已冇研究（如文献［3］等）表明在簇首与汇聚点Z间通信时采取多跳的方式（即通过簇首组成的骨干网实现多跳路由）更有利于节约能量。然而这种做法带来了一个能量消耗不均衡的问题：在这种所有传感器节点的数据都发送到汇聚点的“多対一”数据传输模式中，靠近汇聚点的节点由于需耍转发大量来口其它簇的数据而负担过重，过早耗尽自身能量而失效，造成网络分割，降低网络存活时间。研究者称这个问题为“热区”（hotspots）问题。本文设计并分析了一•种新

5、颖的基于分簇的传感器网络路由协议，其核心是一个能量高效的非均匀分簇（Energy-EfficientUnevenClustering,EEUC）算法。路山的组织分为簇内通信和簇首与汇聚点间通信两部分：簇内通信采用单跳的方式，简单易实现；簇首与汇聚点间通信采川多跳的方式，避免长距离数据传输造成能蜃浪费。EEUC算法利用非均匀的竞争半径，使得靠近汇聚点的簇的成员数冃相对较小，从而簇首能够节约能屋以供数据转发使用，达到均衡簇首能虽消耗的冃的。此外，在簇首选择其路由的下一•跳节点时，不仅考虑候选廿点相对汇

6、聚点的位置，还考虑候选节点的剩余能量.实验结果表明，该路由协议冇效地解决了多跳通信方式卜•簇首能量消耗不均衡的问题，优化了网络屮各节点的能量消耗，显著地延长了网络的存活吋间。木文第1节介绍相关工作；第2节给出网络的模型，并讨论能量消耗的不均衡问题；第3节全面阐述EEUC算法和簇间的多跳路由算法；第4节对EEUC算法的性质进行了分析；笫5节通过实验分析了该路由协议的性能；最后是工作总结和対未來工作的展望。1相关工作近年来，研究人员提出了多种传感器网络的分簇协议oHeinzelman等人提出一种称为L

7、EACH的分簇协议［5］o在每个数据收集的周期（一个周期也称为一轮）开始，一小部分廿点随机成为簇首。在数据传输阶段，簇首以单跳通信的方式将融合后的数据传输给汇聚点。为了提高簇的牛成质量,Heinzelman等人又提出了集中式的簇构造算法LEACH-C以及考虑节点能量的算法（本文称其为LEACH-E）⑹等人提出的PEGASIS算法将网络中的节点组织为链状，数据在链上经融合处理，最后传输至汇聚点；算法需要知道每个节点的位置信息。Dasgupta等人提出一种基于分簇的启发式算法来最人化网络的存活时间，算

8、法需耍知道节点的位證信息和能量信息。Choi等人提出两阶段分簇协议TPC,在簇内构造多跳路山链路以节约能量。Younis等人捉出一种混合式的分簇协议HEED。算法首先根据节点的剩余能量来概率性地选取一些候选簇首，然后以簇内部通信代价的高低来竞争产生最终簇首。MLEACH不同的是，它的簇生成算法需耍在簇半径内进行多次消息迭代，山此带來的通信开销比较显著。上述的这些协议均通过周期性地重新分簇，让节点轮流担任簇首，來达到网络中的节点比较均衡地消耗能量的口的。然而，从均衡节点的能量消耗以延