基于虚拟引力的wsns路由协议设计与实现

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1、基于虚拟引力的WSNs路由协议设计与实现毛科技徐慧方凯陈庆章浙江工业大学计算机科学与技术学院数据采集是无线传感器网络（WSNs）主要功能之一，大规模的传感器网络采集并回收数据时容易出现节点负载不均衡，导致负载重的节点过早死亡。为了延长传感器网络的生存时间，本文提出了一种基于虚拟力的分簇路由协议（CRPVG），选取合适的节点出任簇首;根据簇首与普通节点的虚拟引力大小进行分簇;通过簇首之间多条传输将采集的数据包发送至基站节点。实验结果表明:提出的分簇路由协议在能耗均衡方面起到了较好的作用，延长丫网络的生存时间。关键词：无线传感器网络;分簇路由协议

2、;能量均衡;虚拟引力;然而传感器网络需要采集转发大量的数据，容易导致某些节点负载过重，能量消耗过快，最终导致传感器网络的过早死亡，因此，研宄能耗均衡的路由协议有着重要的意义。在分簇路由协议方面的研宄如比较有代表性的低功耗自适应分簇路由协议m(lowenergyadaptiveclusteringhierarchy,LEACH),该协议首先利用随机数随机选取簇首，进行分簇，簇首节点将簇成员节点采集的数据单跳发送至棊站，LEACH路由协议随机选取簇首，并不能避免传感器网络局部“过热”问题，而且簇首单跳将数据发送至基站对传感器节点硬件的要求较高，不

3、适用于普通大型的传感器网络。针对LEACH路由协议随机选取簇首存在的缺陷，文献［8~11］均进行了改进，在簇首选取过程中综合考虑了节点的剩余能量以及节点与其他节点的链路质量等因素，较好地解决丫LEAC11路由协议存在的问题。文献［12］提出了非均匀分簇的大小(unequalclusteringsize,UCS)路由协议，利用簇首的期望转发负荷控制成簇规模，实验结果表明该路由协议能够较好地均衡网络负载，达到延长网络生存时间的目的。文献［13］提出了一种基于粒子群优化(particleswarmoptimization,PSO)算法的路由协议，该

4、协议利用PSO算法优化簇首。文献［14,15］提出的路由协议均以网络能耗为中心开展研究。文献［16］提出丫一种分布式能量均衡非均匀分簇(distributedcncrgybalanccdunequalclustering,DEBUG)路由协议，该协议通过距离基站的距离，力簇首候选节点分配不同的竞争半径，从而控制簇规模的大小。目前，路由协议在分簇过程中很少考虑其合理性，在簇首多跳传输方面未全面考虑能耗均衡问题。本文提出了一种基于虚拟引力的分簇路由协议(clusteringroutingprotocolbasedonvirtualgravity,

5、CRPVG)，在成簇阶段，综合考虑节点的剩余能量、节点与簇首节点间的信号强度，计算普通节点与其相邻簇首节点间的引力，根据引力值选择加入某个簇。分簇结束后，簇成员节点将数据包通过一跳的形式传输至簇首节点，最后簇首之间多跳将数据伍传输至基站。1节点通信能耗模型本文采用文献［17］的节点通信能耗模型，发射数据包与接收数据包能耗模型如式(1)、式(2)所示。传感器节点的能耗主要包括发射电路的能耗、信号放大电路的能耗和接收电路的能耗式屮Etx为发射总能耗;E,.x为接收总能耗;E、为发射和接收电路处理1bit数据消耗的能量;k为发送或接收数据包的大小，

6、bit;为信号放大电路的放大倍数;d为节点间通信距离，d。为临界距离，如式(3)所示式屮L为损耗因子，L彡l;hjDht分别接收节点和发送节点天线与地面的高度；入为载波波长，可根据传感器节点的频率计算。2分簇过程2.1簇首选举首先基站向传感器网络节点广播信标帧，利用洪泛法为每个节点建立邻居节点列表，如文献［17］中的方法。如传感器节点i的邻居节点列表中包括邻居节点j的剩余能量E：、节点i与节点j之间的信号强度RSSIi」、节点i距离基站的最短跳数H,以及链路质量LQIU,每个传感器节点i可获得其自身的剩余能量E,。传感器网络中每个节点均根据其

7、自身的邻居节点列表信息计算其成为簇首的权重值Wi，如果传感器节点i的权重值^是其通信范围内的最大值，则该节点出任簇首。Wi值的计算综合考虑了节点剩余能量、节点与邻居节点的链路质量以及信号强度值，如式（4）所示式中a，P为常数，U+0=1;S为邻居节点的数量;LQI,nax*链路质量的最大值。w,值越大，表明节点i的剩余能量和与邻居节点j的通信链路质量均比较优秀，成为簇首的可能性越大。2.2虚拟引力分簇如图1所示，Cb匕表示簇首传感器节点，ni,112表示普通传感器节点，假设节点川与簇首C,的虚拟引力为与簇首C2的虚拟引力为F2，且F4F，，则

8、匕对〜的引力F3大于（：2对~的引力F.b因此，普通传感器节点仏加入簇首匕对应的簇。图1虚拟引力本文提出的虚拟引力与节点间的信号强度、节点的剩余能量相关，具体计算如