1、收稿日期 - - 收修改稿日期 - - Received , ; in revised from , 基金项目： 国家自然科学基金项目（No.60673132），广东省自然科学基金项目（No.07117421），广东省自然科学基金研究团队项目（No.8351009001000002），广东省重大科技专项(No.2009A080207008)COLEH:优化分簇及簇首选择的 WSN 路由算法林观康 程良伦（广东工业大学 自动化学院，广州 510006）摘 要 如何有效地使用传感器节点的能量以延长 WSN（Wireless sensor networks）的生存时间，一直是 WSN 路由协议研究所
2、关注的焦点。本文基于分簇协议提出一种新的路由算法 COLEH（Clustering Optimized Low Energy Hierarchy）,采用非均匀分簇的思想来优化簇的划分，并根据节点的剩余能量来选择簇首。仿真实验结果表明该路由算法有效地使节点能量消耗均衡化，延长了整个网络的寿命。关键词 无线传感器网络，路由，能量，寿命中图法分类号 TP393 COLEH: a optimized clustering wireless sensor networks hierarchical routing algorithmLIN Guan-kang CHENG Liang-lun（Facult
3、y of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China）Abstract How to use nodes energy effectively to prolong the networks lifetime is one of research emphasis for Wireless Sensor Networks. This paper propose a new hierarchical routing algorithm: COLEH（Clustering Optimized Low
4、 Energy Hierarchy）,it adopt the uneven way to optimize the partition of cluster, chose the cluster head by nodes residual energy . Simulation results show that the routing algorithm proportion the energy consumption of nodes effectively, thus extended the lifetime of the entire network.Keywords wire
5、less sensor networks, routing, energy, static随着技术的不断进步，无线传感器网络的重要性日益突出，并且在医疗、军事、环境检测、工业等领域有着广泛的应用前景 1，2 。由于无线传感器网络的节点采用微型电池供电，且放置在恶劣的环境中工作，一般很难进行充电或是替代，系统的能量资源非常有限，故设计中常先考虑节能问题以延长网络的寿命，很多路由协议也是基于这一原理设计的。特别是以基于簇路由协议为代表的网络层协议，是目前国际上研究的热点和重点内容之一 3。对于大规模无线传感器网络，分簇协议更能节省无线传感器网络的总能量损耗。在分簇协议中，簇的生成及把特定工作分配到
6、簇首，极大地提高了整个系统的可扩展性和延长了网络寿命 4。LEACH5协议是最早提出的分簇路由协议，其基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的量负载平均分配到每个节点上，从而降低能耗、延长网络的生存时间。它的基本思路为后来的一系列基于簇的路由协议的提出做出了重大贡献。LEACH-C6将目标区域划分成等面积的几个区域，分区域进行管理。一个区域内的簇首只需要管理本区域内的其他节点的信息，使整个无线传感器网络的能量分布较为均衡， 达到延长网络寿命的目的。EEUC7是一个能量高效的非均匀分簇算法，它通过非均匀的方式来构造大小不同的簇。靠近基站的簇规模远小于远离基站的簇，因此基站附近的簇首可
7、以为簇间的数据转发保留能量，从而解决了“热区”问题。但该算法在分簇时并未考虑到簇内各节点间的距离，导致分簇过大，在簇内通信时，它采用单跳方式，边缘节点与簇首通信要消耗很大的能量。本文提出一个对分簇及簇首选择进行优化的路由算法，总体上把所有节点按节点与基站的距离划分，同一距离等级的节点组成簇，靠近基站的簇规模小于远离基站的簇。然后根据节点的剩余能量及节点在簇内的位置选择簇首；最后，簇首通过簇间的路由把融合后的数据发送到基站1.分层路由协议分析分层路由算法的基本思想是将传感节点分簇，每个簇由一个簇首和多个簇内成员组成接收到分组的簇内节点直接将分组转发至簇首节点，分组转发下一跳节点为到簇首节点的最小
8、路径上的节点。簇首节点通过数据聚集减少传输信息量，最后簇首节点把聚集数据转发给终端节点。分层路由协议的每轮循环大致包括两个阶段：建立阶段及稳定状态阶段(如图 1 所示)。建立阶段里，算法进行簇首的选举及分簇的形成；在稳定状态阶段里，进行收集数据和给簇首传输数据。簇首节点在收到簇内成员的数据之后会对这些数据进行聚合后传送给 Sink。经过一段时间之后，网络就会再一次回到协议的建立阶段，开始新一轮的工作。簇首选择 分簇形成节点时隙节点时隙簇首选择建立阶段稳定状态阶段( 簇的路由 )* * * * * * * * * * * * * *帧轮图1.分层协议操作的1轮时间结构图Fig. 1. hiera
9、rchical algorithm operation structure of a time分层路由算法的优点有：(1)成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇头构成一个更上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大程度上节省了网络能量；(2) 簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量，从而节省了网络能量；(3) 成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，减少了通信量；(4) 分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化做出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络；传
10、统的分层协议也存在三个潜在的问题。一是无法保证簇的大小，有些区域的簇首个数过少，簇首与成员节点的通讯距离过大，而使簇首的负担过重，能量消耗过快。二是每次都要在大范围里竞选簇首，然后成簇，额外耗费了能量和时间。三是热区问题，即靠近基站的节点不但要发送自己的传感数据，还要转发远端节点的传感数据，致使越靠近基站的节点能量损耗得越快。2. COLEH 协议设计本文提出的 COLEH 协议，把目标区域内的节点按节点与基站的距离划分等级，同一个距离等级间的节点进行簇首竞争并产生若干簇首，每个分簇设立一个簇首，保证一定区域内的簇首数量。2.1 前提条件本算法应用于静态无线传感器网络中，有以下特点：(1)传感
11、器节点是同构的，具有相同的初始能量，相同的通信范围，且每个传感器节点都有自己的 ID 号；(2)传感器节点通过 RSSI 等工具可以计算出与基站的距离，节点能够感知自己的剩余能量；(3)成员节点与簇首、簇首与簇首之间的通信满足自由空间通信模型 8 ，本算法中通信距离较近，取E=pamdP=2；(4) 研究区域为 3 0 03 0 0 的方形区域。网络中基站 B S 位于 ( 0,0 ) 。之所以不选在中心位置，是因为基站不在中心是一种网络分布不理想的情况， 在这种极端的假设下，更能体现网络性能的优劣。2.2 协议设计2.2.1 簇首的选择及簇的形成如图 2 所示，以基站为中心点，建立极坐标，先
12、按等距离把目标区域划分为若干个圆环，距离的大小与节点的最大通信有关，离基站越近的圆环级别越低。级别低的圆环里簇首既要集合簇内节点的数据信息，又要转发级别高的圆环的数据，因此级别低的圆环的簇首密度要比级别高的圆环的簇首密度大，才能降低级别低圆环里的簇首的负担，才能中和热区问题。由于按等距离划分圆环，级别高的圆环面积比级别低的圆环面积大，且节点均匀分布，每个圆环里的簇首数量一样，则圆环级别越低，其单位面积里的簇首数量越大，亦即簇首密度越大。如此进行圆环划分，可以中和热区问题，满足设计要求。基站普通节点簇首R2 R3 R图 2. COLEH 路由的分簇Fig.2. COLEH clustering基
13、站先向全部节点发送广播圆环区域划分情况，各个节点通过 RSSI 或 GPS 等工具计算出与基站的距离，再与收到的圆环区域划分情况进行比较，得出自己属于哪一个圆环区域。在圆环区域划分的基础上，各个区域开始独立形成簇，互不干涉，每个圆环区域竞选预定个数的簇首，簇首竞选中限于同一圆环区域内，从而避免了通过网络重复传递动态信息到远端基站，缩小通信代价。同时各区域并行运行成簇算法，大大缩短了网络初始化时间，提高网络响应的快速性。同圆环区域内簇首竞选时，每个节点经过延时后广播自己的剩余能量，延时的时间与节点的 ID 号有关，避免冲突。节点以剩余能量进行排列，剩余能量最大的节点优先成为簇首并向同级节点广播这
14、个消息。本轮未成为簇首的剩余能量最大的节点（候选节点）判断与本轮已存在簇首的距离是否大于预设的阀值，阀值与节点密度及节点的最大通信距离有关。当候选节点与已存在簇首的距离大于阀值时，表明该候选节点与已存在簇首的成簇空间重叠小，或无重叠，此时该候选节点也成为簇首并发送广播消息。否则当候选节点与已存在簇首的距离小于阀值时，表明该候选节点与已存在簇首的成簇空间重叠大，簇首的利用率低，此时该候选节点放弃成为簇首，并直接通知下一个候选节点进行判断，依次循环至圆环内的簇首达到预定数量。当圆环内的簇首达到预定数量时，停止簇首竞选。各节点选择距离最近的簇首并组成簇。2.2.2 簇的路由簇的路由包括簇内路由及簇间
15、路由两个方面。簇内路由即每个簇的成员节点通过单跳把数据发送到簇首，簇首接收这些数据并进行数据融合。成员节点向簇首发送的数据主要包括：传感器采集的信息、节点剩余能量、节点 ID 等，为避免数据冲突，各成员节点基于TDMA 的低能耗 MAC 协议给每个成员节点分配通讯时槽，只有在自己的时槽内，节点才打开无线发送模块和簇首节点通信，其余通讯时槽内此模块一直处于关闭状态，从而节省能量。由于节点通讯采用广播方式，因此节点在和自己的 CH 通信时，其余邻居簇的节点也可能接收到此信息，为避免簇间干扰，每个簇在通讯过程中都使用域代码为唯一的通讯标识码，节点根据该编码过滤掉收到的非本簇簇内路由信息。根据自由空间
16、通信模型可知发送 bit 能耗和n接收能耗分别为：(1)2(,)txelcampEnd(2)r其中 表示发送 bit 数据到距离为 的接收端的,rx d能耗， 为接收 bit 数据的能耗。簇首接收完全()部成员节点的数据包后进行数据融合，消耗的能量 为CHE(3)1(,)jkCHrxjiDAEn其中 DA为融合每 bit 所用的能量。簇头将数据融合后，进入簇间路由阶段。簇间路由时，各簇的簇首不直接和远端基站通讯，而是通过邻居簇首以多跳方式向基站发送。路由方向为圆环等级高的簇首向圆环等级低的簇首发送融合后的数据包，圆环等级低的簇首接收到融合数据包后加入本级别节点的传感数据，再转发到圆环等级更低的
17、簇首。圆环等级最低的簇首，把转接到的及自身簇内数据直接发送到基站。由于簇首以剩余能量进行竞选，簇首在簇内的位置不定，即在圆环内的位置也不定。在簇间路由时，高级圆环里的簇首要把数据转发到低级圆环簇首，两者的通信距离必须小于节点的最大通信距离。考虑最不理想状况，相邻圆环等级簇首间的距离最大为 R，其中 R 为每级圆环划分的2径向距离（见图 2） ，即(4)maxax4d其中 Rmax 为圆环划分的最大径向距离， dmax 为节点的最大通信距离。簇间路由完成后，此轮的通信亦完成，基站再根据节点分布情况，广播圆环划分规则，进入下一轮通信。3.仿真及分析3.1 仿真环境及参数在本实验中，采用 NS2 进
18、行系统仿真，设有 150 个节点，随机部署于 3 0 03 0 0 的方形区域，初始能量设为5J，数据包长度为 500 bit, , 5/elcnJbit，节点单跳最大通信范围设为 150m，则目21/ampJbit标区域中圆环的径向跨度最大为 75m。根据非均匀分簇的思想，距离等级越低的圆环其径向跨度越小，本算法中径向跨度比例为 1.2:1，即每向外一级，其径向跨度扩大 0.2倍。在仿真中，将本文提出的 COLEH 与 LEACH 协议进行比较分析。3.2 仿真结果及分析定义网络寿命为从网络开始工作时刻起到最后一个网络节点死亡那一刻的时间跨度。图 3 为两种算法的时间与生存的节点数的关系仿真
19、结果。从图中可以看到，LEACH协议的网络寿命为 4518 轮，而 COLEH 算法的网络寿命为5673 轮，延长了约 25%。在 LEACH 协议里，出现第一个死亡节点的时间是第 1854 轮，而在 COLEH 算法里，时间是 3481 轮,比 LEACH 协议延长了约 87%。1 2 3 4 5 6生存节点个数时间 / 1 0 0 0 轮C O L E HL E A C H3 06 09 01 2 01 5 0图 3.生存节点数Fig.3. Survival nodes图 4 为时间与网络中全部节点的剩余能量关系仿真结果图，从图中可以看出 COLEH 协议节省了每轮的分簇能耗，节约了能量，
20、从而延长了整个网络的寿命。剩余能量/J1 2 345 63 06 09 01 2 01 5 0时间 / 1 0 0 0 轮C O L E HL E A C H图 4.剩余能量Fig.4. residual energy4.结论本文针对无线传感器网络中低能耗的要求，对传统的分层协议进行分析，提出了一种新的对分簇及簇首选择进行优化的路由算法，使节点的能量消耗更均衡，有效地避免了个别节点死亡过快。仿真结果表明，COLEH 算法比LEACH 协议具有更长的网络寿命，大大提高了无线传感器网络的整体性能。References1 孙利民，李建中，陈渝等无线传感器网络 M 北京：清华大学出版社，20052 Y
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25、士研究生，主要研究方向为无线传感器网络，嵌入式系统。本文通信作者。 E-mail: (LIN Guan-kang Master candidate at the Faculty of Automation, Guangdong University of Technology. His research interests are embedded system and wireless sensor networks. Corresponding author of this paper.)程良伦 广东工业大学自动化学院教授，博士生导师，主要研究方向为网络控制与系统集成，网络与信息化控制，嵌入式智能系统。E-mail: (CHENG Liang-lun Prof. and doctoral supervisor of the Faculty of Automation, Guangdong University of Technology. His research interests are network control and integration, information control, embedded intelligent system.)
