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摘要：在无线传感器网络中，由于节点间能量消耗不平衡导致网络过早死亡。为了解决这一问题，提出一种基于非均匀分簇的路由协议NCRP。首先，在选举候选簇头的过程中加入节点的能量因子改进阈值公式。其次，在计算簇头竞争半径时加入节点度因子和距离因子。最后，在数据传输节点定义了能耗函数。仿真结果表明，NCRP协议可以均衡网络能耗，延长网络生存时间。
关键词：无线传感器网络;非均匀分簇;路由协议;剩余能量;邻居节点
Abstract： In WSNs， the premature death of the network is caused by the imbalance of energy consumption among nodes. In order to solve this problem， a routing protocol based on non-uniform clustering， NCRP， is proposed. First， the energy factor improvement threshold formula of the node is added in the process of electing candidate cluster heads. Secondly， the node degree factor and distance factor are added when calculating the cluster head competition radius. Finally， the energy consumption function is defined at the data transmission node. The simulation results show that the NCRP protocol can balance the network energy consumption and prolong the network lifetime.
Key words： wireless sensor network; uneven clustering; routing protocol; remaining energy;neighbor node
隨着基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）的传感器技术、数字电子技术以及低功耗射频设计的快速发展。无线传感器以价格低廉、功耗较低的特点被广泛应用于城市综合管廊监控、煤矿安全、智慧农业等领域中[1]。由于传感器节点本身受电源存储能力的限制且一般部署于难以二次回收的地方，因此如何有效提高传感器节点的能量利用率成为重要的研究方向。文献[2]提出的LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议通过选举簇头节点成簇，簇内收集处理信息的方式延长了网络的生存时间。但是簇头的选举方式是随机的使得簇头分布不均匀，一些能量较低的节点当选簇头节点反而会加速节点的死亡。基于LEACH协议文献[3]提出的EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）协议，在分簇过程中赋予节点竞争半径，使靠近Sink节点的竞争半径较小从而实现了网络非均匀分簇。但是，簇头的竞争簇半径只考虑了距离因素，没有考虑节点能量以及邻居节点的数量。
本文针对LEACH、EEUC协议的不足提出了NCRP协议（Non-uniform clustering routing protocol）。在簇头的选举过程中综合考虑节点与Sink节点的距离、节点的剩余能量、节点的邻居节点的数量。在数据传输阶段的中继节点的选择中，考虑节点与中继节点的距离、中继节点的能量选出最佳中继节点。
1 网络与能耗模型
1.1 网络层次结构
在网络中成员节点通过单跳通信的方式与簇通信，簇头通过多跳通信的方式与Sink节点通信。
本文的无线传感网络模型假设如下[4]：
1） 网络区域由m个传感器节点和一个基站组成，传感器节点均匀分布在N×M的区域内;
2） 假设网络区域内没有障碍物和噪音干扰，基站能量充足;
3） 每个节点的电池容量、存储能力、通信的范围、感知范围相同;
4） 传感器节点是静止的且位置信息已知。无线发射功率可控，节点可以根据需要调整自身发射功率。
1.2 网络能耗模型
3 EEUC协议
EEUC协议是基于非均匀分簇的路由协议，它采用簇内单跳通信，簇间多跳通信的方式与Sink节点通信。在选举期间与LEACH协议类似，每个节点产生一个0到1的随机数，若随机数小于设置的阈值一般为0.4，则成为候选簇头，候选簇头选举计算自身的簇竞争半径。簇竞争半径与距Sink节点的距离有关，从而形成非均匀分簇[3]。簇竞争半径的计算方式如下：
4 NCRP协议
4.1 阈值改进
4.2 簇竞争半径改进
4.3 数据转发阶段
5 仿真及结果分析
图1为网络生存节点数量随时间变化图，EEUC和NCRP协议中第一个节点死亡的轮次分别为374轮和510轮，网络中一半节点死亡轮次分别为523轮和637轮，节点全部死亡的轮次分别为579轮和710轮。由实验仿真可以得出NCRP协议的第一个死亡节点出现的时间和节点全部死亡的时间都是优于EEUC协议的，可见NCRP协议是可以延长网络生存时间的。
6 结论
本文针对LEACH协议和EEUC协议的不足。首先，通过在节点选举备选簇头的过程中考虑节点的能量因子改进了选举的阈值公式。其次，在备选簇头选举成为最终簇头的过程中综合考虑了节点的节点度因子和距离因子改进了簇头的竞争半径计算公式。最后，在数据传输节点中选取下一跳节点时定义了能耗函数，使得节点间的能耗更加均衡。通过仿真可以发现，NCRP协议可以均衡节点的能量消耗，延长网络生存时间。
参考文献：
[1] Alghamdi T A.Energy efficient protocol in wireless sensor network：optimized cluster head selection model[J].Telecommunication Systems，2020，74（3）：331-345.
[2]Heinzelman， W. R.， et al. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C].Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences，2000，9，（33）：8020–8020.
[3] 李成法，陈贵海，叶懋，等.一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机学报，2007，30（1）：27-36.
[4] 张文柱，孙瑞华，高鹏，等.基于梯度的异构WSNs非均匀分簇路由协议[J].小型微型计算机系统，2020，41（9）：1887-1892.
[5] 郑文军.基于区域划分的WSNs双簇头路由协议[J].电脑知识与技术，2019，15（18）：45-46.
【通联编辑：梁书】
关键词：无线传感器网络;非均匀分簇;路由协议;剩余能量;邻居节点
Abstract： In WSNs， the premature death of the network is caused by the imbalance of energy consumption among nodes. In order to solve this problem， a routing protocol based on non-uniform clustering， NCRP， is proposed. First， the energy factor improvement threshold formula of the node is added in the process of electing candidate cluster heads. Secondly， the node degree factor and distance factor are added when calculating the cluster head competition radius. Finally， the energy consumption function is defined at the data transmission node. The simulation results show that the NCRP protocol can balance the network energy consumption and prolong the network lifetime.
Key words： wireless sensor network; uneven clustering; routing protocol; remaining energy;neighbor node
隨着基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）的传感器技术、数字电子技术以及低功耗射频设计的快速发展。无线传感器以价格低廉、功耗较低的特点被广泛应用于城市综合管廊监控、煤矿安全、智慧农业等领域中[1]。由于传感器节点本身受电源存储能力的限制且一般部署于难以二次回收的地方，因此如何有效提高传感器节点的能量利用率成为重要的研究方向。文献[2]提出的LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议通过选举簇头节点成簇，簇内收集处理信息的方式延长了网络的生存时间。但是簇头的选举方式是随机的使得簇头分布不均匀，一些能量较低的节点当选簇头节点反而会加速节点的死亡。基于LEACH协议文献[3]提出的EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）协议，在分簇过程中赋予节点竞争半径，使靠近Sink节点的竞争半径较小从而实现了网络非均匀分簇。但是，簇头的竞争簇半径只考虑了距离因素，没有考虑节点能量以及邻居节点的数量。
本文针对LEACH、EEUC协议的不足提出了NCRP协议（Non-uniform clustering routing protocol）。在簇头的选举过程中综合考虑节点与Sink节点的距离、节点的剩余能量、节点的邻居节点的数量。在数据传输阶段的中继节点的选择中，考虑节点与中继节点的距离、中继节点的能量选出最佳中继节点。
1 网络与能耗模型
1.1 网络层次结构
在网络中成员节点通过单跳通信的方式与簇通信，簇头通过多跳通信的方式与Sink节点通信。
本文的无线传感网络模型假设如下[4]：
1） 网络区域由m个传感器节点和一个基站组成，传感器节点均匀分布在N×M的区域内;
2） 假设网络区域内没有障碍物和噪音干扰，基站能量充足;
3） 每个节点的电池容量、存储能力、通信的范围、感知范围相同;
4） 传感器节点是静止的且位置信息已知。无线发射功率可控，节点可以根据需要调整自身发射功率。
1.2 网络能耗模型
3 EEUC协议
EEUC协议是基于非均匀分簇的路由协议，它采用簇内单跳通信，簇间多跳通信的方式与Sink节点通信。在选举期间与LEACH协议类似，每个节点产生一个0到1的随机数，若随机数小于设置的阈值一般为0.4，则成为候选簇头，候选簇头选举计算自身的簇竞争半径。簇竞争半径与距Sink节点的距离有关，从而形成非均匀分簇[3]。簇竞争半径的计算方式如下：
4 NCRP协议
4.1 阈值改进
4.2 簇竞争半径改进
4.3 数据转发阶段
5 仿真及结果分析
图1为网络生存节点数量随时间变化图，EEUC和NCRP协议中第一个节点死亡的轮次分别为374轮和510轮，网络中一半节点死亡轮次分别为523轮和637轮，节点全部死亡的轮次分别为579轮和710轮。由实验仿真可以得出NCRP协议的第一个死亡节点出现的时间和节点全部死亡的时间都是优于EEUC协议的，可见NCRP协议是可以延长网络生存时间的。
6 结论
本文针对LEACH协议和EEUC协议的不足。首先，通过在节点选举备选簇头的过程中考虑节点的能量因子改进了选举的阈值公式。其次，在备选簇头选举成为最终簇头的过程中综合考虑了节点的节点度因子和距离因子改进了簇头的竞争半径计算公式。最后，在数据传输节点中选取下一跳节点时定义了能耗函数，使得节点间的能耗更加均衡。通过仿真可以发现，NCRP协议可以均衡节点的能量消耗，延长网络生存时间。
参考文献：
[1] Alghamdi T A.Energy efficient protocol in wireless sensor network：optimized cluster head selection model[J].Telecommunication Systems，2020，74（3）：331-345.
[2]Heinzelman， W. R.， et al. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C].Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences，2000，9，（33）：8020–8020.
[3] 李成法，陈贵海，叶懋，等.一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机学报，2007，30（1）：27-36.
[4] 张文柱，孙瑞华，高鹏，等.基于梯度的异构WSNs非均匀分簇路由协议[J].小型微型计算机系统，2020，41（9）：1887-1892.
[5] 郑文军.基于区域划分的WSNs双簇头路由协议[J].电脑知识与技术，2019，15（18）：45-46.
【通联编辑：梁书】