越高，则簇头数目越多。
[0109] 成簇的数量在层次路由中是一个很重要的指标，会直接影响网络的整体性能，对 于某个网络环境来说，每轮都有一个期望的成簇数量，如图7,图8所示，LEACH协议中，由于 簇头是按概率随机选取的，所W簇头数量的起伏较大，而本算法采用的定时与距离结合的 分簇机制，使网络中的分簇数量保持一个数量的基本平衡，在未有节点死亡时，不会产生过 多或过少的簇。
[0110] 由于簇头数量的不稳定及分簇算法的不同，亦导致每轮中所有簇头消耗能量的差 另IJ，如图9所示，为网络前30轮的簇头能量消耗，由图可W看出，LEACH协议的簇头能量消 耗不仅大，而且很不稳定，邸UC和LffiUC及本算法簇头消耗比较稳定，但由于本算法采用 了定时选取簇头的策略，相比其他协议，节省了部分簇头开销。
[01川图10分别为LEA化邸UC，及本协议的死亡节点分布，由图可W看出Leach协议由 于簇头需要将信息直接传送到基站，所W距离远的节点先死亡，而与LEACH正相反，ffiUC通 过多跳路由将信息传送到基站，距离基站近的节点消耗较大，而在本协议中，通过网络划分 出临域，减缓了临近基站节点的死亡，使网络能耗更均衡一些。
[0112] 在本实验中，当网络中的节点没有足够的能量再接收或发送信息时，记为节点死 亡，图11为网络场景I和场景II的生命周期对比图。
[011引由图可W看出，由于LEACH的单跳路由机制，节点能量消耗不均衡，未足200轮时 就有死亡节点出现，且在基站坐标远离后，生命周期明显缩短，而对比邸UC，LffiUC与本协 议，基站坐标远离后，网络生命周期虽无明显变化，但在死亡节点出现的前期，都出现了振 荡，因为基站的远离，会导致临近节点更快的死亡，但由于本协议临域的加入，使得振荡幅 度相比其他两种非均匀分簇协议偏小。
[0114] 图12为网络存活时，网络中传送的数据包的数量对比，生命周期的延长及能耗的 减少，使本算法在网络中传送了更多的数据包。
[011引图13为四种协议的网络能耗对比，本协议的曲线明显低于LEACH，邸UC和I_E抓C， 显示了较慢的能量消耗及更长的网络生存时间
[011引图14,图15为四种协议的网络能耗均值及标准差的对比，在网络能耗均值图中， 本协议的曲线高于另外=种协议，显示了较少的能量消耗；在能耗标准差图中，本协议的标 准差数值一直较低且变化不大，显示了更好的能耗均衡性。
[0117] 本发明主要设计了一种基于网络区域划分和距离的分均匀分簇节能路由方法，在 本发明算法中将网络区域划分，定义了临域的概念，在减少临近基站节点能耗的同时，也延 长了网络的生命周期，对于分簇和路由机制的改进，也节省并均衡了网络能量消耗，通过实 验对LEACH，ffiUC和LffiUC协议作了对比仿真分析，结果显示，本算法对比其他S者有更好 的网络能量均衡表现和更长的网络有效工作时间。
【主权项】
1.基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法，其特征在于该方法主要包括如下关 键步骤： 第1、网络区域划分：在MXM的监测区域中，基站位于监测区域的外部，距离基站较近 区域的节点，作为整个监测区域的中继节点与基站通信，运部分节点所在的区域定义为临 域，运些节点称为临域节点，其他节点皆为非邻域节点；我们采用如下方式选取临域的范 围，W基站为圆屯、，向外画环形，WR为第一层的半径，环与环之间的距离为r，则：其中r为临域环形的半径差，η为区域中节点的总个数，Μ为方形监测区域的边长长度，R为基站与区域边界的最近距离； 如果节点到基站的距离cLbs(Ni)满足：cLbs(Ni)《R甘，1《i《η，则此节点标记自己 为临域节点，否则，则为非邻域普通节点，Ni为节点的唯一标识ID; 第2、簇的建立：分簇阶段，临域节点进入休眠，并且在每轮簇的重构阶段都进入休眠 状态，非临域节点执行分簇； 第2. 1、非临域节点在确定自己的区域后，每个节点计算自己的竞争半径，计算公式为：其中，ddut为区域远边界到基站的距离，AreaM为监测区域的边长，cUes(Ni)为节点Ni到基站的距离，R。为节点的最大竞争半径，C为用来控制取值范围的参数； 第2. 2、非临域节点在竞争半径内W泛洪的方式广播自己的ID信息，非临域内所有节 点根据收到的信息统计自己的节点度Ni.D=化INieVusual,d化，Nj)《Ni佩}， 其中Vusuai为所有非临域节点的集合，d(N1，N,)为节点Ni与N,之间的距离； 第2. 3、非临域节点根据公式十算出 自己的定时时间，其中，α+β+丫 =1，为各参数的权重调节系数，δ为一个调节系数，T? 为设定的最大竞争时间，Ε。为节点的初始能量，Εκ(Νι)为节点当前的剩余能量，Ni.D为节点 的节点度，Ni(R)为节点的竞争半径； 第2. 4、为了节省成簇时各种广播交换信息的能量消耗，只在初始准备阶段，所有节点 广播一次消息，在W后的簇重构周期中，都采用定时机制，每个节点根据第2. 3步的公式计 算出自己的定时时间，若在定时时间内没有收到其他节点的广播消息，则确定自己为簇头， 确定的簇头节点在自己的竞争半径内广播成为簇头的消息；若在定时时间内收到其他节点 的广播消息，就自动退出簇头竞争进入等待状态，到达最大竞争时间后，进入等待的节点， 根据收到的簇头广播消息，选择相应的簇加入；在网络分簇阶段终止时，每个存活的节点都 会成为簇头节点或簇的成员节点； 第3、簇间路由确定：每个上级簇头节点在自己的下级簇头信息表中计算选出自己的 下一跳簇头节点，临域节点都作为独立的簇头节点对待； 第3. 1、簇间路由建立由远端节点发起，所有簇头节点进行消息广播，广播半径选择为 自身竞争半径的3倍，寻找下级簇头信息，各簇头节点根据收到的消息，当簇头传来的基站 距离大于等于自身与基站的距离时，为上级簇头，不予处理，反之，为下级簇头信息，在每个 簇头节点建立下级簇头信息表； 第3. 2、簇头CHi通过如下函数式选择函数值最大的簇头CH ,作为下一跳节点，选择下 一跳的函数式为庚中，Ek(CH,)为簇头CH, 的剩余能量，II为下级簇头的平均剩余能量，CH,. D为簇头CH,的成员节点度； 第3. 3、临域中的节点不分簇，在此阶段都当作独立的簇头处理，当临域节点在收到簇 头的广播消息后，被唤醒，并将自身的信息反馈给簇头，簇头根据临域节点发来的信息计算 选择函数，确定下一跳临域节点；运样通过每级选择，网络路由建立起来。
【专利摘要】基于网络区域划分和距离的节能分簇路由方法。针对无线传感网络“热点”问题，本发明提出一种基于距离和网络区域划分的非均衡分簇协议(UCNDD)，在UCNDD算法设计中，采用网络区域划分与分簇相结合的算法，首先定义一个以基站为圆心的环形节点临域，根据距离基站的节点距离将网络划分，临域节点仅作为与基站联系的节点，其余范围的节点，执行优化的分簇路由协议，采用定时机制建立簇，并设定节点不同的竞争半径，使整个网络呈现不均等的分簇，在发送信息路径选择上，亦综合考虑了簇头节点的能量，距离及节点度信息，来选择下一跳节点。通过两种机制相结合的方式，在所适用的区域，能更好的平衡整个网络的能量消耗，延长网络的生存周期。
【IPC分类】H04W40/10, H04W40/20, H04W40/02, H04W40/24
【公开号】CN105323818
【申请号】CN201510752454
【发明人】张德干, 刘思, 李文杰, 李可, 宋孝东
【申请人】天津理工大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年11月4日