移动无线传感网络簇头多跳路由协议
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【摘 要】随着无线传感器网络在移动环境中广泛应用，移动环境下降低能耗成了传感网络研究的热点。通过研究移动环境下的各种路由协议，并结合LEACH协议自身存在的问题，提出了一种支持移动的簇头多跳的路由算法。该协议充分考虑了剩余能量、速度和距离，以及簇头选取和簇的构成方法，提出新的权值函数，从而有效地支持节点移动。仿真结果表明，该协议有效地均衡了节点能耗，提高了能量利用率，延长了网络寿命。
1 引言
传感器在计算和无线通讯中广泛使用，如监测外部环境，把感知的数据转化为用户可以理解的信息。传感网络的应用是目前国际科学研究的热点。随着社会的发展，在很多的移动环境应用了无限传感器，如海洋的监测、移动车辆的监测、动物的监测等，因此研究移动环境下的无线传感器网络越来越重要[1-2]。
传感器网络的移动性带来了许多问题。如传感器节点在成功部署之后由于节点的移动随时变换位置，很容易造成拓扑的变化；通信链路建立之后，节点移动很容易偏离最初的位置，从而导致连接断裂、路由中断；节点移动造成数据延迟发送；节点的移动造成路由建立的频率增大，从而增大能量的消耗，缩短了网络生存时间。因此针对移动环境设计支持移动性的路由协议十分必要。
基于分簇的路由协议有很多。LEACH[3]的成簇思想贯穿于其后发展出的很多分簇路由协议中，如TEEN[4]、PEGASIS[5]、APTEEN[6]都基于分簇的路由协议，但在移动性的支持上存在不足，尤其当网络规模增大时，缺陷就更加明显。M-LEACH[7]是基于LEACH提出的支持簇头和成员节点的移动协议，簇头选取时考虑了节点剩余能量、位置及节点的移动速率，但没有在簇的建立阶段解决移动性问题。EMHR[8]算法是簇头在数据传输时可以通过多跳传输，根据权值确定下一跳簇头，这样EMHR协议在网络拓扑结构中平衡负载和降低簇头能量消耗，此协议主要是针对静态网络。
分簇技术可以避免感知节点之间的信息传输，通过簇头数据融合，减少数据冗余，减少发送数据量，降低能耗，更好地支持移动性。多跳传输技术是动态自组织，利用网络中的节点动态建立和维持网络连接。由于多跳技术的独特性，无线传感网络多跳技术得到了极大的关注，大量信息表明多跳路由协议的能耗远低于单跳路由协议。针对现有分簇路由中存在的缺陷，本文提出新的支持移动的簇头多跳路由算法，以降低能耗。
2 EM-CHMR算法
基于LEACH-M算法，在感知节点移动且基站（BS）不移动的环境下，根据节点的移动信息进行分簇，分簇成功之后建立高效的多跳路径，笔者提出能有效地支持移动性的簇头多跳路由策略（EM-CHMR，Energy-efficient Mobile Cluster Head Multi-hops Routing protocol）。此路由策略中，簇首向基站传输数据引入了多跳路由机制，让距基站较近的簇首适当承担一些数据中继转发任务，把直接长距离通信变成间接的多次短距离通信，在支持移动下保证转发簇首有充分的能量来进行数据转发。
2.1 分簇的模型
簇头多跳的简单模型如图1，模型中距离BS较远的簇头可以通过建立多跳路径与BS通信，这样可以降低自身的能量消耗。同时距离BS较近的簇头不需要再进行多跳，可以直接与BS进行通信。模型中感知节点和簇头都可以进行移动，但是BS是固定位置不移动；每个节点的移动速度大小都限制在一定范围内；节点同构，且初始能量相同；传感器节点得到的信息，可以使用GPS或其他位置检测方案；传感器节点的发射功率可以进行调节。
路由算法中利用文献[9]提出的能量消耗模型，节点发射kbit数据到距离为d的位置消耗的能量为：
其中，Eelec表示发端电路运算和处理每比特数据的能耗；εfs和εmp为放大器的系数；d0为临界距离。
2.2 簇头的选取
簇头选取算法是基于M-LEACH协议提出的，网络模型是一个均匀的网络，簇头的数量确定方式与M-LEACH相同。根据簇头数量把整个区域划分为子区域，然后为每个区域选取簇头。首先按照剩余能量利用阈值Eselect进行筛选，避免节点剩余能量不足造成早死现象。为了让簇头均匀分布并对整个传感网络实现完全覆盖，把整个区域分成M个子区域，在每一个子区域中选取一个簇头。假设第j子区域节点数Nj，每个节点坐标为（xi，yj），速度为vi。簇头的最佳位置S0计算方式如下：
移动方向用θi（0O≤θi≤180O）表示，意为节点i的移动方向和连接节点指向最佳位置的直线形成的夹角（速度和直线的最小夹角）。最佳选择则是节点移动方向是S0，即夹角越小越好。角度则是处理后的角度，其中θt是角度阈值。
如果簇头移动速度过快则容易造成簇的破坏，移动速度慢则适合整个网络的移动速度。式（4）表示节点i处理后的速度，其中vt是速度阈值，vi为节点i的速度。
节点i为簇头的代价函数为：
由式（5）看到，、和变小时值也变小，则是节点i的速度因子，因此最小的节点为簇头最理想的节，若存在多个节点，取最小值。
2.3 簇的形成
簇的形成阶段，就是在感知节点选择簇头键入，并在其中形成簇。簇头和感知节点的移动使得节点与簇头位置关系的变化很难计算。为了降低复杂性，把速度大小和速度方向一起分析，利用速度和角度得到速度因子。
其中，vi根据阈值计算，θi是感知节点移动方向与连接感知节点、簇头间直线所形成的夹角，θ0是簇头移动方向和连接簇头、感知节点的直线所形成的夹角。可以看出，移动因子不是两个速度的矢量和，而是要考虑到两个速度的移动方向变化，才能够简单高效地对节点移动性进行评估。
基于EECS[10]协议，本文提出新的通信代价函数：
其中E=En_init/En_current，w是具体环境决定的权值，CHi是区域i的簇头，BS为基站，d是距离，f是两者之间的通信代价，EX为期望。Si为感知节点。Cost（i，j）表示成员节点i到簇头j的通信代价，在簇的形成过程中，每个成员节点选取通信代价最小的簇头加入簇区域。
2.4 多跳路径建立
在数据传输中选择下一跳的簇头，对簇头能量消耗有重要的影响。如果BS在簇头传输的有效范围内，簇头将直接与BS进行通信，否则通过其他簇头进行多跳传输。
为了多跳能量消耗，计算通过簇头跳一次的情况，即从簇头i到j再到BS。设簇头i和j的距离为d（i，j），j和BS的距离为d（j，S）。根据无线通信能量消耗模型，总的能量消耗模型ET为：
可看出能量消耗的影响因素为d（i，j）和d（j，S），所以，簇头i发送消息经过n个簇头到BS的能量消耗为：
式（10）充分体现了距离对簇头能量的消耗的影响，因此可用距离的平方和作为权值函数的一个重要因素。
由于无线传感器网络中节点是移动状态，尤其在簇头多跳网络中，簇头的移动很容易对多跳路径造成破坏，因此在多跳路径建立过程中要选取一条比稳定且受速度影响较少的路径。在簇头多跳路径中簇头的移动可以缩短整个路径的距离，也有可能使得路径遭到破坏。
由图2看到簇头H0经过（H1， H2， H3）到达基站BS，（S1， S2， S3）分别为簇头到直线OS的距离，θ为H3移动方向与S3形成的角度。在多跳路径中最好的效果是三个簇头向OS移动，并且三个簇头和OS的距离波动不要太大，因为波动过大会造成传输距离加大。因此要（0， S1， S2， S3， 0）（前后两个0分为H0和BS到OS的距离）的方差来衡量节点的波动，它们的期望衡量严重偏离OS的大小。由于节点的移动造成簇头位置的不断变化，为了较好地反应簇头的移动，要充分考虑簇头节点的移动速度大小和方向。Si在OS左面值为正，右面值为负。角度则是指向OS的锐角，反向为钝角。当多跳经过簇头数为n时，计算（Si+vitcosθ）的期望：
计算对应方差：
其中t是根据轮到时间设定的值，设为半个轮时间。则新的权值函数如下：
Ei_residual是簇头i的剩余能量，Ei_init是初始化能量。为了控制σ和es值极端情况（只等于0），约束如下：
在簇头选取成功时，向周围广播信息通知普通节点，每一个簇头会接收到周围相邻的信息，信息包括ID、移动信息、剩余能量等。每个簇头把周围的信息进行存储，然后根据收集的邻居节点找出到BS的所有路径，利用权值函数（11）进行计算，权值最小的路径的第二个簇头作为下一跳节点。利用此算法，簇头都可以找到下一跳节点。如果某簇头能量不足作为多跳节点时，就向周围发送取消作为多跳节点的信息，周围簇头把该节点记录信息取消，从新选取下跳节点。
3 实验结果
实验无线传感器网络有100个感知节点组成，分布在100m*100m的区域中，基站BS随机放在此区域中。速度范围为（0， 2）m/s，速度阈值为0.3m/s，角度阈值为10o，方差和期望的阈值为1，相关参数如表1：
图3表示随着时间延长，感知节点逐渐出现了死亡现象，EM-CHMR协议的死亡节点出现较晚，两种节点死亡数量在300s之后大量出现。在600s之后新协议的存活节点数量明显高于M-LEACH协议的节点存活数量，表明簇头多跳网络较好地均衡了簇之间的能量，降低了感知节点的死亡数量。
图4展示了能量消耗，可以明显看出M-LEACH能量已经消耗远高于EM-CHMR，在900s时M-LEACH能量消耗完毕，而EM-CHMR还有能量剩余，从而有效地延长了网络生存时间。能量消耗和存活节点数量的变化充分体现了支持移动的簇头多跳路由协议能够较好支持移动，平衡节点能量，降低能耗，延长整个网络的存活时间。
4 结束语
本文针对无线传感器网络的移动性，基于LEACH提出了EM-CHMR路由算法，保持了按轮进行分簇，对簇头节点采用了多跳算法，提出了信息权值函数及建立多跳路径算法。仿真结果证明该方案支持移动的簇头多跳路由策略，使得能量消耗均衡地分布在各节点上，保证了数据尽快地传输到基站，弥补单跳的不足，从而使网络寿命得到延长。支持移动的簇头多跳路由协议的维护机制对簇和路径的生存时间有很大的影响，因此，为了使移动传感网络中更好地降低能耗，还需要在路由维护机制方面展开更深一步的研究。
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