一种新的支持移动SINK的无线传感器网络路由协议

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摘要：在无线传感器网络中，能源效率是一个重要的关键点。为了延长网络寿命，节能路由协议是非常重要的。本文提出了一种基于豪斯多夫分簇的路由协议来解决移动Sink节点的无线传感器网络的能耗问题。该协议利用豪斯多夫分簇路由算法，降低网络能耗。仿真实验表明，该方法能够显著延长无线传感器网络的寿命。

关键词：无线传感器网络 分簇算法 移动SINK

1、概述

无线传感器网络节点已经越来越趋向于体积小，能耗低，多任务系统[1]。采用移动sink的引入可以平衡传感器网络中各节点的能量消耗，有效地避免路由空洞问题，因为提高了整个网络的吞吐量，延长了网络的生存时间。本文提出一种在移动SINK节点的无线传感器网络中基于LEACH[2]分簇的路由协议。该协议在基于LEACH分簇协议的基础上提出一种支持移动sink的路由协议协议。仿真实验证明，该协议能够显著延长网络寿命。本文第二节介绍分簇算法，第三节介绍移动SINK节点的路由协议，第四节是仿真实验，最后是得出结论。

2、基于LEACH的移动SINK节点路由协议

首先使用LEACH协议对无线传感器网络进行分簇。Hello消息用来通报SINK访问的簇的区域。Hello消息分为2个部分，一个部分是“Cluster ID”，用来确定此次任务是否相关。另一个部分是“Time Period T”，用来记录SINK节点走遍全部簇头节点所需要的时间。

其中，(Xi,Yi)是一个簇头节点，m是簇头总数，V是SINK的移动速度，ε是一个常量。

首先要获得SINK路由时间表。SINK第一次移动按照随机路线移动，并且收集一些信息，包括簇的平均能量Pavg和簇头节点的位置信息。Pavg由等式（6）给出。然后我们可以计算簇之间的平均距离。

（6）

其中，i代表本簇中的节点， 表示节点i现在的能量，n表示这个簇里面的节点数。

平均距离Davg由等式（7）给出：

当两个簇头节点距离太远时，采用等式8来寻找簇头的替代节点CHRP。由此来降低SINK移动过程中节点的能量消耗。

CHRP=min(cosXi) （8） 其中Xi是没有选中的簇头。

确定路由时间表过程如下：(1)从路由信息里面选择平均能量Pavg最大的簇头节点。(2)计算从当前簇头与从第一步里面选择出的簇头的距离D，如果选择的簇头是当前簇头，跳至第四步，如果D≤Davg，跳第四步，如果D＞Davg，跳至第三步。(3)将CHRP添加进路由时间表并且设置为当前簇头节点，跳至第五步。（4）把选择的簇头添加进路由时间表并设置为当前簇头。（5）重复第一步和第二部直到所有的簇头都加进路由表为止。

当路由时间表确定以后，就可以执行移动SINK路由协议了。具体步骤如下：（1）利用LEACH分簇的方法分簇。（2）第一次移动SINK按照随机路线收集信息并确定SINK信息表。（3）执行路由时间表并且用式5计算T。（4）从路由时间表里取出第一个簇头。（5）SINK移动至此簇头并且广播Hello消息。（6）当节点收到Hello消息后，簇头存储T并却开始接收簇成员的数据。（7）当时间T结束以后，簇头把信息报文传送至SINK。（8）如果SINK接收信息报文，跳至第九步，否则结束。（8）按照第八步接收的信息报文更新路由信息表

如果路由时间表为空，跳至第三步，否则重复第四至第九步。

3、仿真

本文用C语言搭建一个仿真平台。用另外一个已经可以用在移动SINK的路由协议与本文提出的协议想比较。目标就是比现有的方法更加节省能量并且延长网络寿命。本文模拟100×100m2内有100个节点。每个节点的初始能量是2J。SINK移动速度设置为10m/sec。

如图3所示，本文提出的方法比另外一个方法有效地节省了能量，该方法能量消耗非常平稳并且能耗很低。然而，另一种方法能量消耗很快并且失去了无线传感器网络的功能。

图3 生存节点数的比较

Fig.3. Comparison of survival nodes

4、结论

分簇路由协议是目前无线传感器网络路由协议研究的主流方向，而如何选择簇头，建立一个什么样的簇是影响网络生命周期的关键因素，也是目前研究的热点。本文针对上述问题提出一种基于豪斯多夫分簇的算法，用于具有移动SINK节点的无线传感器网络中。该方法有效地减少了节点能量消耗并且延长了网络寿命。

References:

[1]I.F. Akyildiz, W. Su, and Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci,“Wireless sensor networks: a survey,” Computer Networks, vol. 38, pp. 393-422, 2002.

[2]Heinzelrnan W R，Chandrakasan A，Balakrishnan H．Energy-dficient communication protocol for wireless micro networks，IEEE Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences．2000：1-10