基于虛擬蜂窩分區(qū)的路由優(yōu)化算法

孟德智

摘要：為有效地均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，提出一種虛擬分區(qū)自適應(yīng)分簇路由優(yōu)化算法。該算法將監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行多六邊形劃分，再利用虛擬力和位置優(yōu)化簇頭選舉，最終形成可自適應(yīng)選舉簇頭的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，此算法在降低能耗和延長網(wǎng)絡(luò)壽命方面，均優(yōu)于CRVB、IHCRA算法。

關(guān)鍵詞：WSN;虛擬分區(qū);六邊形劃分;能耗均衡

中圖分類號：TP393.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0006-Oc

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（0SID）：

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，具有廣泛應(yīng)用。但固定能量制約其發(fā)展，如何優(yōu)化路由協(xié)議、降低能耗成為WSN熱門研究領(lǐng)域[1-2]。

分簇路由協(xié)議能夠延緩能量消耗，優(yōu)質(zhì)傳輸路徑的質(zhì)量往往正向影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期[3-4]。文獻(xiàn)[5]通過最優(yōu)格距組織成簇，減少通信時(shí)延和能耗，但采用正方形聚類，簇間通信能耗大，節(jié)點(diǎn)覆蓋冗余高。文獻(xiàn)[6]采用六邊形聚類方法，將角度引入新簇頭概率選取公式，保證CH均勻分布，取得不錯效果。

綜合上述文獻(xiàn)，本文提出基于虛擬蜂窩分區(qū)的路由算法HCARA（Hexagonal Clustering Adaptive Routing Algorithm），蜂窩虛擬分區(qū)保證網(wǎng)絡(luò)可拓展性和抑制節(jié)點(diǎn)冗余覆蓋的產(chǎn)生。競選CH引入“虛擬力”和地理位置適應(yīng)因子，并自適應(yīng)更換CH結(jié)點(diǎn)，推遲節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

2 相關(guān)工作

2.1 能耗模型

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

傳統(tǒng)分簇路由算法多是采用圓形聚類，其中圓形簇團(tuán)只有互相堆疊才能避免檢測黑洞。而六邊形簇團(tuán)彼此相切，且簇團(tuán)中心到任一相鄰簇團(tuán)的距離相等，說明蜂窩分簇相覆蓋性更好。

3 HCARA路由算法

3.1虛擬分區(qū)

HCARA算法中建立如圖2所示虛擬分區(qū)。其網(wǎng)絡(luò)模型如下所示：

簇團(tuán)由大量低功耗、限定能源傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)具有唯-ID和定位功能，根據(jù)位置可知所屬簇團(tuán)C-ID （Cluster-ID）。SINK節(jié)點(diǎn)所處第1簇團(tuán)，其他依次為Ⅱ、Ⅲ層。如此分區(qū)不僅減少成簇復(fù)雜度，且維持CH分布較均勻。

3.2 CH選舉

首輪CH選舉階段，節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身信息到臨近節(jié)點(diǎn)，信息包括剩余能量、ID、和C-ID。節(jié)點(diǎn)只記錄相同C-ID節(jié)點(diǎn)信息。確定同簇節(jié)點(diǎn)后開始競爭CH，因初始能量相同，根據(jù)定位算法選近簇中心節(jié)點(diǎn)為首輪CH并廣播，其余節(jié)點(diǎn)退出競爭，首輪競選結(jié)束。CH能量小于競選時(shí)平均能量Eave70%時(shí)申請重新競選，下一輪競選開始。此時(shí)節(jié)點(diǎn)能量不同，采用式（2）計(jì)算競選概率：

4 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證HCARA算法有效性，文本通過MATLAB仿真平臺與IHCRA算法和CRVB算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中分別就總能耗和剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行比較。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示：

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行是以節(jié)點(diǎn)正常工作為基礎(chǔ)，剩余能量應(yīng)占更大比重，取α1=0.7、α2=0.3。

網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)是指網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行至某時(shí)刻存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。圖3中CRVB算法最早出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡，IHCRA和HCARA則相對較晚。600s后HCARA在存活結(jié)點(diǎn)數(shù)方面始終占優(yōu)。說明HCARA算法能實(shí)現(xiàn)均衡節(jié)點(diǎn)負(fù)載和延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

網(wǎng)絡(luò)剩余能量是指某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)總能量剩余情況。圖4中200s左右網(wǎng)絡(luò)能耗增加，所有算法剩余能量均快速下降;400-800s時(shí)CRVB算法能量消耗最快，而IHCRA和HCARA能耗曲線則相對平緩;1200S時(shí)剩余能量依次為36%，42%和44%。說明HCARA算法將虛擬蜂窩分區(qū)和新競選概率公式結(jié)合，在均衡能耗和提高能量利用率方面效果更好。

5 結(jié)束語

文本提出蜂窩分簇的多跳路由算法。算法首先采用虛擬蜂窩分區(qū)，并在競爭簇首時(shí)引入虛擬力和位置因素競選簇首，并設(shè)置一定閾值自適應(yīng)更換CH。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出：相比于IHCRA算法和CRVB算法，本文提出的基于蜂窩分區(qū)的路由算法在提高能量利用率，延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期方面，效果較好。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】