阶段2:簇头选举阶段全局范围内预先设定一个0~1之间的阈值T,用来控制参加簇头竞选的节点比例。每一个节点生成一个0~1之间的随机数,记为u。若u
式中:T为最大约定的最大延迟时间;Eresidual为节点剩余能量;Eini是节点原始能量。
阶段3:成簇阶段簇头向网络所有节点广播自己成为簇头的消息HEAD_AD,内容为簇头节点的标识及该节点与基站的距离。普通节点接收到此消息后选择一个通信代价cost(CH)最小的聚类加入,并发送消息JOIN_REQ。通信代价表达式为:
式(5)中参数与式(2)和式(4)表示的意义相同。从式(5)可以看出,该通信代价综合考虑了节点与簇头的距离、簇头与基站的距离及簇头的剩余能量。从而实现了由聚类成员节点选择剩余能量较大,与自己距离较近,与基站距离较小的簇头形成簇,达到能量均衡的目的。
阶段4:数据传输阶段簇头向所有成员节点广播TDMA通信时隙调度信息TDMA_SCHEDULE。成员节点按分配好的TDMA时隙在某个时刻将自己检测到的数据发送给簇头。簇头在接收聚类成员发送数据的过程中进行数据融合,并将融合后的数据直接传输给基站,该过程采用单跳的通信方式。
4 ADEECS协议仿真与分析
仿真中,使用Matlab作为仿真平台,采用与文献[3]相同的能量消耗模型。仿真参数如表1所示。
文中将ADEECS与EECS和LEACH协议性能进行仿真对比。
4.1簇头分布的仿真对比
LEACH簇头个数取最优值。在仿真中,LEACH簇头个数为6;取T=0.15,R=26,w=0.8。由3种协议的簇头分布图(图2~图4)可以看出,LEACH协议簇头随机分布;EECS协议簇头分布比较均匀,但存在簇头漏洞问题;ADEECS协议簇头真正实现了均匀分布。所以,提出的延迟发送竞选消息的方法很好地解决了LEACH和EECS协议在簇头选举过程中存在的问题。
4.2网络寿命的仿真对比
定义第一个节点的死亡时间为无线传感器网络的网络寿命,用工作轮数表示网络的工作时间。如果剩余节点过少,那么整个网络的存在就毫无意义。仿真中为了更好地对比仿真结果,仿真曲线只选取剩余节点数大于50的情况。仿真结果如图5所示。
由图5可以看出,在成簇阶段,ADEECS协议综合考虑了簇头剩余能量、簇头与基站的距离以及簇成员节点与簇头的距离。这种通信代价计算方式很好地提高了网络性能,有效地延长了网络生命周期,达到了协议目的。
5结语
通过对无线传感器网络中典型分簇路由协议、LEACH协议和EECS协议进行的研究和分析,提出了一种改进的分簇方案ADEECS。利用延迟发送竞争消息的方法和新的通信代价公式很好地解决了EECS协议存在的问题,实现了簇头的均匀分布,有效地延长了网络寿命。但是不只是没有对参数权值w和通信半径R进行研究,这将是作者下一步的工作重心。另外,基于多跳的ADEECS也是下一步的研究方向。