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摘要：当前有很多路由协议就是针对延长无线传感器网络生命周期而提出的。EAHEED协议改进了HEED协议，它减少了节点工作时的能量消耗。但仍存在缺點。因此，本文利用基站来选择簇头；同时，将网络划分为多个小矩形的思想。经分析改进协议充分利用了网络的特点，进一步延长了网络的生命周期。
关键词：无线传感器网络；路由协议；簇头；生命周期
中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2013) 05-0000-02
无线传感器网络（Wireless sensor network）[1-3]是由大量的静止或移动的传感器组成。无线传感器网络结合传感器技术、计算机技术和通信技术，完成网络区域内数据的收集、处理以及传输，并最终把收集的数据发送给网络所有者。于是，无线传感器网络被应用于诸多领域。然而，传感器节点能量有限，固而，找出一条延长传感器节点的生命周期的方法才是利用好网络的核心。
1相关问题
LEACH[4]协议是层次路由协议中的一个典型，它在节约了节点能量，延长了网络生命周期的同时也存在一些不足之处。PEGASIS[5]协议规定在传感器节点采用链式结构对数据进行传输。与LEACH协议相比，它更能进一步延长网络生命周期。EAHEED[6]协议综合了LEACH和PEGASIS协议的优点，改进了HEED[7]协议。但是EAHEED协议存在簇头可能选择它所付出代价更大的簇头作为下一跳来传送数据的问题。
图1EAHEED协议簇头分布
设A、B、C为三个簇头节点，其位置分布如图1所示。簇头A的权值小于簇头B的权值，簇头B的权值小于簇头C的权值。按照EAHEED协议的思想，簇头A将选择簇头C作为它传输数据的下一跳。但如果簇头A选择簇头B作为它的下一跳，那么它所消耗的能量将更小。因此，EAHEED协议进行了改进，网络生命周期将进一步增加。
2相关改进
该协议将每个回合分为三个阶段，即：簇头选择、数据传递、路由维护。
2.1簇头选择。首先，假设N个节点随机均匀分布矩形区域内，基站在网络外面。基站将网络分成几个小矩形，如图2所示。
图2改进协议网络
在每个小矩形内，假设每个节点初始能量都一样。所有节点将包含自己的剩余能量和初始能量这条消息发送给基站。基站根据节点所发送消息的时间和方位确定其属于哪个区域，基站为每个小区域内的节点设置一个栈，那么在每一个栈中，排在栈队列前面的节点的剩余能量较大。基站选择出栈前面一个节点作为该区域内的簇头，并通知该区域内的所有其他节点。
2.2数据传输。如果网络运用到对数据不是特别敏感的环境中，那么簇头可以选择有限地且能量最大的几个节点作为簇内监测数据的节点，而其它节点可以进入睡眠状态。各个簇内，簇头根据公式1计算出期望覆盖率服务质量期望所需要的最少的活动节点数量。
（1）
其中，A是每个小区域的面积，r是节点的感知半径，η是用户要求的覆盖率。数据在传输过程中，各个簇内簇头选出能量最大的k个节点。簇内节点在收集到数据后，将数据传送给簇头。簇头选择该小矩形内簇头的权值比它大的作为下一跳。权值W=（Earc/Eini）*L，其中Earc为节点的当前能量，Eini为节点的初始能量，L的值是基站监测到的每个簇内簇头到基站的距离。如果没有权值比它大的，那么选择区域中靠基站较前的簇头作为下一跳，直到数据传送到基站。
2.3路由维护。当簇头的能量减少到a*Earc，活动节点的能量减少到b*Earc的时候，网络必须重新选择簇头和活动节点，其中a、b分别是两个数值常量。
3改进算法性能分析
3.1小区域的应用。两节点在距离为d时，传输k bit的信号需要的能量，如公式2：ETx=k×Eelec+k×εamp×d2 （2）
Eelec是驱动传输器或者接收器所需要的能量，εamp是传输放大器接收一个信号需要的能量。当接收放大器接到k bit的信号时，它所需要的能量，如公式3：
ETx=k×Eelec（3）
因此，从公式（2）、（3）可以得出，当k、Eelec、εamp三者都不变时，降低两节点间距离d可达到减少两节点传输信号能量的消耗。然而，在传感器网络中，当节点被投入到网络应用中时，节点位置基本不会变化。因此，要想使得减小节点之间的传输距离，只能通过减少节点与簇头，簇头与下一跳的距离来实现。改进协议就是通过减少簇头与下一跳的距离来达到节能的目的的。
3.2基站能量的利用。节点的能量有限，然而基站的能量却可以远远不尽地补充。因此，在网络簇头选择阶段，利用基站来实现簇头的选择可以节省簇头选择过程中部分能量的消耗，因而进一步延长了整个网络的生命周期。
4结束语
本文提出的改进EAHEED协议将整个大的矩形区域划分成多个小矩形，这样可以限制簇头选择离它近一点的簇头作为下一跳，从而数据在簇与簇的传输过程中减少了相应的开销。同时，利用基站选择簇头，可以将网络内簇头选择时能量的消耗放在可方便补充能量的地方。文中同时利用活动节点来收集数据，让其它节点能量消耗为零，于是将网络能量节约到更好处。
参考文献：
[1]孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]朱近康.无线传感器网络技术[J].中兴通讯技术,2004,10(810):14-15.
[3]I F Akyildiz,W L Su,Y Sankarasubramaniam. A survey on sensor networks[J].IEEE Communication Magazine. 2002,40(8):102-116.
[4]Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan H. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]. Proc of the 33rd Annual Hawaii Int’1 Conf on System Sciences,2000,3003-3014.
[5]Lindsey S,Raghavendra C S. PEGASIS: Power efficient gathering in sensor information systems[C]. Proceedings of IEEE Aerospace Conference. 2002,3:1125-1130.
[6]杨东勇,陈晓倩,顾东袁.一种节能的无线传感器网络路由协议的设计与实现[J].计算机工程与科学,2010,110-113.
[7]Younis O,Fahmy S. Heed: A Hybrid,Energy-Efficient,Distributed Clustering Approach for Ad-Hoc Sensor Networds[J].IEEE Trans on Mobile Computing,2004.3(4):660-669.
[8]黄海平,王汝传,孙力娟等.基于父亲树的无线传感器网络路由协议[J].计算机技术与发展,2008,4-7.
[作者简介]陈莉（1984-），女，四川省都江堰市人，硕士研究生，助教，主要研究方向：计算机网络与通信。
关键词：无线传感器网络；路由协议；簇头；生命周期
中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2013) 05-0000-02
无线传感器网络（Wireless sensor network）[1-3]是由大量的静止或移动的传感器组成。无线传感器网络结合传感器技术、计算机技术和通信技术，完成网络区域内数据的收集、处理以及传输，并最终把收集的数据发送给网络所有者。于是，无线传感器网络被应用于诸多领域。然而，传感器节点能量有限，固而，找出一条延长传感器节点的生命周期的方法才是利用好网络的核心。
1相关问题
LEACH[4]协议是层次路由协议中的一个典型，它在节约了节点能量，延长了网络生命周期的同时也存在一些不足之处。PEGASIS[5]协议规定在传感器节点采用链式结构对数据进行传输。与LEACH协议相比，它更能进一步延长网络生命周期。EAHEED[6]协议综合了LEACH和PEGASIS协议的优点，改进了HEED[7]协议。但是EAHEED协议存在簇头可能选择它所付出代价更大的簇头作为下一跳来传送数据的问题。
图1EAHEED协议簇头分布
设A、B、C为三个簇头节点，其位置分布如图1所示。簇头A的权值小于簇头B的权值，簇头B的权值小于簇头C的权值。按照EAHEED协议的思想，簇头A将选择簇头C作为它传输数据的下一跳。但如果簇头A选择簇头B作为它的下一跳，那么它所消耗的能量将更小。因此，EAHEED协议进行了改进，网络生命周期将进一步增加。
2相关改进
该协议将每个回合分为三个阶段，即：簇头选择、数据传递、路由维护。
2.1簇头选择。首先，假设N个节点随机均匀分布矩形区域内，基站在网络外面。基站将网络分成几个小矩形，如图2所示。
图2改进协议网络
在每个小矩形内，假设每个节点初始能量都一样。所有节点将包含自己的剩余能量和初始能量这条消息发送给基站。基站根据节点所发送消息的时间和方位确定其属于哪个区域，基站为每个小区域内的节点设置一个栈，那么在每一个栈中，排在栈队列前面的节点的剩余能量较大。基站选择出栈前面一个节点作为该区域内的簇头，并通知该区域内的所有其他节点。
2.2数据传输。如果网络运用到对数据不是特别敏感的环境中，那么簇头可以选择有限地且能量最大的几个节点作为簇内监测数据的节点，而其它节点可以进入睡眠状态。各个簇内，簇头根据公式1计算出期望覆盖率服务质量期望所需要的最少的活动节点数量。
（1）
其中，A是每个小区域的面积，r是节点的感知半径，η是用户要求的覆盖率。数据在传输过程中，各个簇内簇头选出能量最大的k个节点。簇内节点在收集到数据后，将数据传送给簇头。簇头选择该小矩形内簇头的权值比它大的作为下一跳。权值W=（Earc/Eini）*L，其中Earc为节点的当前能量，Eini为节点的初始能量，L的值是基站监测到的每个簇内簇头到基站的距离。如果没有权值比它大的，那么选择区域中靠基站较前的簇头作为下一跳，直到数据传送到基站。
2.3路由维护。当簇头的能量减少到a*Earc，活动节点的能量减少到b*Earc的时候，网络必须重新选择簇头和活动节点，其中a、b分别是两个数值常量。
3改进算法性能分析
3.1小区域的应用。两节点在距离为d时，传输k bit的信号需要的能量，如公式2：ETx=k×Eelec+k×εamp×d2 （2）
Eelec是驱动传输器或者接收器所需要的能量，εamp是传输放大器接收一个信号需要的能量。当接收放大器接到k bit的信号时，它所需要的能量，如公式3：
ETx=k×Eelec（3）
因此，从公式（2）、（3）可以得出，当k、Eelec、εamp三者都不变时，降低两节点间距离d可达到减少两节点传输信号能量的消耗。然而，在传感器网络中，当节点被投入到网络应用中时，节点位置基本不会变化。因此，要想使得减小节点之间的传输距离，只能通过减少节点与簇头，簇头与下一跳的距离来实现。改进协议就是通过减少簇头与下一跳的距离来达到节能的目的的。
3.2基站能量的利用。节点的能量有限，然而基站的能量却可以远远不尽地补充。因此，在网络簇头选择阶段，利用基站来实现簇头的选择可以节省簇头选择过程中部分能量的消耗，因而进一步延长了整个网络的生命周期。
4结束语
本文提出的改进EAHEED协议将整个大的矩形区域划分成多个小矩形，这样可以限制簇头选择离它近一点的簇头作为下一跳，从而数据在簇与簇的传输过程中减少了相应的开销。同时，利用基站选择簇头，可以将网络内簇头选择时能量的消耗放在可方便补充能量的地方。文中同时利用活动节点来收集数据，让其它节点能量消耗为零，于是将网络能量节约到更好处。
参考文献：
[1]孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]朱近康.无线传感器网络技术[J].中兴通讯技术,2004,10(810):14-15.
[3]I F Akyildiz,W L Su,Y Sankarasubramaniam. A survey on sensor networks[J].IEEE Communication Magazine. 2002,40(8):102-116.
[4]Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan H. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]. Proc of the 33rd Annual Hawaii Int’1 Conf on System Sciences,2000,3003-3014.
[5]Lindsey S,Raghavendra C S. PEGASIS: Power efficient gathering in sensor information systems[C]. Proceedings of IEEE Aerospace Conference. 2002,3:1125-1130.
[6]杨东勇,陈晓倩,顾东袁.一种节能的无线传感器网络路由协议的设计与实现[J].计算机工程与科学,2010,110-113.
[7]Younis O,Fahmy S. Heed: A Hybrid,Energy-Efficient,Distributed Clustering Approach for Ad-Hoc Sensor Networds[J].IEEE Trans on Mobile Computing,2004.3(4):660-669.
[8]黄海平,王汝传,孙力娟等.基于父亲树的无线传感器网络路由协议[J].计算机技术与发展,2008,4-7.
[作者简介]陈莉（1984-），女，四川省都江堰市人，硕士研究生，助教，主要研究方向：计算机网络与通信。