基于权重的NPCHS-Leach协议簇头选取策略优化研究*

2015-08-24王灵矫彭志强李哲涛郭华钟益群

传感技术学报 2015年12期

关键词：路由基站权重

王灵矫，彭志强，李哲涛，郭华，钟益群

（1.湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411105；2.湖南省湘潭大学智能计算与信息处理教育部重点实验室，湖南湘潭411105）

基于权重的NPCHS-Leach协议簇头选取策略优化研究*

王灵矫1，2*，彭志强1，2，李哲涛1，2，郭华1，2，钟益群1，2

（1.湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411105；2.湖南省湘潭大学智能计算与信息处理教育部重点实验室，湖南湘潭411105）

Leach协议的提出很大程度上延长了网络的生命周期，但簇头的选取并未考虑当前节点剩余能量和节点分布情况，导致网络能量消耗不平衡。改进的簇头选择协议NCHS-Leach（Novel Cluster Head Selecting Leach）存在没有考虑节点当选簇头次数以及节点距离基站的距离等问题。据此，该文提出了改进协议—基于权值的簇头选取NPCHS-Leach（Novel Power Cluster Head Selecting Leach）协议，在选取簇头节点时综合考虑节点的剩余能量、距离、节点成为簇头的次数以及侦听密度，优化簇头节点选取策略延长网络生命周期。通过MATLAB工具软件随机建立的网络拓扑模拟NPCHS-Leach协议、Leach协议以及NCHS-Leach协议的运行，其仿真结果表明该协议比NCHS-Leach协议延长网络生命周期40～50%。

无线传感器网络；低能耗；权重；分簇；Leach协议；

EEACC：6150P；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2015.12.020

随着微电子、无线通信、计算机技术的发展，一种集成多种功能的低成本小型传感器节点被广泛使用。大量的该类多功能节点协同工作，就形成了无线传感器网络［1-2］。无线传感器网络特别适合环境监控，如类似于森林火灾报警等难以靠近的场所进行数据采集的应用［3-4］，文献［3-4］提出了利用无线传感器网络设计的监控系统对预防森林火灾的重要性。无线传感器网络不同于无线Ad-Hoc网络和Internet路由［5-6］，无线传感器网络虽然在结构上和Ad-Hoc网络和相似，但是Ad-Hoc网络通信的节点不是一个个的传感器，而是便携式计算机、掌上电脑、个人数字助理（PDA）等移动终端设备。无线传感器网络中的节点数量多于传统Ad-Hoc网络中的节点数量，并且分布密度大。节点较之传统Ad-Hoc网络中的节点更容易出错。无线传感器网络的节点的计算能力、存储能力和电能也十分有限，所以，降低节点能耗和成本是设计无线传感器网络主要考虑的因素之一。无线传感器网络中的节点由电池供电并且常常随机和广泛部署，充电变得不可能，因此，每个传感器节点的处理能力和感知能力都有限，减少节点的能源消耗显得非常必要［7-8］。大量研究结果不断表明，提出创新的路由算法和有效地利用可用的能量以确保网络更健壮、可靠和准确具有现实的理论和实际意义。无线传感器网络中的路由分为平面路由，分层路由，基于位置的路由取决于网络结构［9-10］。分层路由也称为集群路由［11-12］，这类型路由的传感器节点被分组在一起并形成簇。在每一个簇中，能量越高的节点被分配以作为一个簇头节点CH（Cluster Head），成为领导者负责自行收集和汇总数据并将各自的集群和传输汇总各自集群内的数据后转发至基站BS（Base Station）［13-14］。

基于节点剩余能量的无线传感器网络分层路由协议有Leach［15-17］，NCHS-Leach［18］，CHEF［19］，I-Leach［20］等。Leach协议是最简单的分层路由协议，主要目的是平衡网络节点能量消耗以达到延长网络生命周期。但是，Leach能量消耗不均衡，导致节点过早死亡。NCHS-Leach协议是基于分簇的能量有效路由协议，NCHS-Leach并没有考虑节点密度和节点成为簇头次数等因素。Kim提出的基于能量和距离CHEF算法在选取簇头还是随机地选取候选节点，不够完善。在Leach协议的基础延长了网络生命周期22.7%，CHEF协议是以模糊逻辑为基础来选取局部簇头节点。I-Leach协议在Leach协议基础使网路生命周期延长了55%。NCHS-Leach算法分为两个阶段：启动阶段和稳定阶段，由于NCHS-Leach协议在每个轮回选取簇头时没有考虑节点成为簇头节点的次数以及离基站的距离、权重系数，被选中的簇头并不是最优的。在Leach和NCHS-Leach协议的基础上本文提出NPCHS-Leach协议，基本思想是：在选取簇头时，综合考虑了节点能量，节点成为簇头次数，侦听密度，离基站距离以及当前轮最优簇头次数，并引入权重因子，权重因子的值由层次分析法确定。

1　Leach协议及其NCHS-leach的分析

1.1Leach协议

Leach协议随机选取簇头节点，在确定簇头结点前，每个节点产生一个0～1之间的随机数，如果该随机数小于给定的阈值T（n），该节点在本轮被选中为簇头。T（n）由式（1）计算得出。

式中：p为簇中节点选为簇头节点的概率，r为当前轮序号，G为前r-1个轮回未被选为簇头的节点集合。Leach协议随机选取的簇头节点不能保证簇头是最优的，则网络能量不能有效地利用，使之达到最低能耗。

1.2NCHS-Leach协议

Leach协议没有考虑节点剩余能量，剩余能量为0.5 J和0.05 J的节点成为簇头的概率基本上是一致的，而簇头节点比普通节点的能耗大，这会导致网络负载不平衡。Leach协议选取的簇头节点太过于集中，部分区域簇头节点过多，部分区域簇头节点较少等特点会增加非簇头通信代价，因此文献［21］提出了侦听密度的概念并改进了Leach协议，即NCHS-Leach协议。NCHS-Leach协议簇头选取与Leach协议相类似，每个节点依然会产生一个0到1之间的随机数，只是前者在阈值的确定上考虑了能量和侦听密度两个因素。较少能量的节点应该少活动，成为簇头的概率应小些，具有较大剩余能量的节点成为簇头的概率应该大一点，以此来均衡网络能量消耗；节点密度较大区域的簇头个数也应该相对更为密集。阈值大小决定着节点当前轮是否能成为簇头，其值由式（2）所决定：

式中：δ为具体应用相关常量，Er为节点当前剩余能量，SIn为节点侦听密度。

2　改进的NPCHS-Leach协议

2.1NCHS-Leach协议存在的问题

①NCHS-Leach协议没有考虑当前轮状态下网络的最优簇头个数和网络中簇头数最优时的网络负载平衡，根据实验数据，最优簇头数为网络节点个数的5%［22-23］。

②NCHS-Leach协议未考虑节点到基站的距离和节点成为簇头次数以及选取簇头频率，距离基站越远的节点通信所消耗的能量越多，簇头选取频率太过频繁将导致网络不稳定。

③NCHS-Leach协议没有考虑各个权重因子的大小，但各个因数对簇头影响不同。

2.2NPCHS-Leach协议

NPCHS-Leach协议把一个周期分为初始阶段和工作阶段两个时间段，初始阶段网络开始建立选取簇头节点以及确立普通节点，工作阶段网络中节点开始收发数据。在NCHS-Leach协议的基础上，为了保证每轮簇头数量最优，特加入最优簇头个数optcoutCHs控制因子。为了平衡网络负载能耗最低以及节点成为簇头次数较多时不能正常工作的情况，节点距基站距离Dcurr和节点成为簇头次数S（i）.CH引入阈值计算中，引入权重系数后的阈值由式（3）确定。

式中：δ是权重系数值，可由层次分析法可以计算获得，Ecurr为节点当前剩余能量，Dmax、Dcurr为网络中节点离

基站的最远距离以及当前轮节点离基站的距离，S（i）.CH为节点i成为簇头的次数。

2.3权重系数值的确定

根据层次分析法（Analytic Hierarchy，Process AHP）［24-25］可把该问题分为如下步骤进行。

①建立如图1所示的层次结构模型。

图1簇头选取的层次模型

图1R中分为三层，目的层是选取簇头节点，簇头节点的选取必须根据规则层中的四个因素来进行确定，选取的范围是网络中全部节点。

②构造对比矩阵

参照Saaty教授的标度法能得出表1因子标度法。表1中βi和βj是指节点剩余能量因子、节点与基站的距离因子、节点当选簇头次数因子、节点侦听密度因子在选取簇头时所占的权重值，其中节点剩余能量、节点与基站的距离、节点当选簇头次数、节点侦听密度两两之间的重要程度用矩阵A来表示，如式（4）所描述，b12代表节点剩余能量因子和节点与基站之间距离因子之间重要程度比值，同理A中各项都是各种因子之间的重要程度比值。能量因子与距离因子相比较，节点剩余能量在网络中占主导地位，节点侦听密度次之，节点当选簇头次数以及节点与基站的距离相对次之，固b12=5，b13=5，b14=3。同理节点与基站之间距离相对比节点成为簇头次数重要，而节点侦听密度相对于节点与基站的距离更重要。根据两因子相比较得出A，式（5）所示。

表1　R因子标度法

设β=（β1,β2,β3,β4）T是4阶判断矩阵的排序权重向量，当权重系数矩阵A为一致性判断矩阵时，有式（6）用权重系数矩阵值β=（β1,β2,β3,β4）T右乘上式，可得到λβ=Aβ，则β为A的特征向量，且特征根为λ。

即对于一致性判断矩阵，排序向量β就是A的特征向量。由一致性正互反矩阵的性质［26-27］可知，当A具有一致性时，λmax对应的特征向量归一化后，β为权重向量，它表示（β1,β2,β3,β4）在准则层中选取簇头时的权重，即权重构造矩阵有效。当A不具有一致性，则λmax＞λ，这时的特征向量β=（β1,β2,β3,β4）T就不能很好地体现出在簇头选取中各因素所占比重，则可用一个衡量不一致程度的数量指标来描述，其定义为式（7）：

式中：n表示簇头选取时权重系数元素的个数，RI表示权重系数平均随机一致性指标，取值由表2可得，其值是根据Saaty总结的平均一致性指标所得。

表2　R平均一致性指标值

根据层次分析法中的权值计算公式即可得出β归一化后的值δ，即可计算出最优的权重系数值δ1=0.473、δ2=0.153、δ3= 0.059、δ4=0.315。

2.4NPCHS-Leach协议具体实现

①第一轮开始前节点广播“Hello”（ID和位置信息）消息到基站，基站依据收到的消息计算得出所有节点与基站的距离把距离及其最大距离信息返回给每个节点，前者在随后的簇头选择轮次中保持不变。每轮开始前，基站统计节点个数，计算出最优簇头个数Nopt。

②在NPCHS-Leach协议中，每一轮簇形成之前各节点随机产生一个0到1000的随机数Nrand。通过邻居节点广播“Hello”消息，每个节点就得到邻居节点数和节点的ID和坐标，存放在自身的邻居表Snei。每个节点根据式（3）得出Tn值，并与相应的随机数进行比较，如果Tn＞Nrand，该节点就作为候选簇头节点，并放入S_CH集合中。如果节点i的邻居节点数为0，则退出选举算法，否则，基站根据候选节点离基站的远近和邻居节点数选取簇头，距离越近且邻居节点数越多的节点就为簇头，直到最优簇头选取完毕。节点i成为簇头后，向邻居节点广播自己成为簇头消息，非簇头节点根据邻居表Snei的信息选择最近的簇头节点发送“join_request”消息，簇头节点收到其它节点发送的“join_request”消息后，登记节点信息并发送响应消息“CH_response”，所有节点归属完簇后，协调建立一个TDMA的时间调度机制以确保簇头与节点间的消息收发不受干扰，簇内节点按照划分的时隙向簇头发送数据，簇建立结束。

③簇内成员节点在簇建立后开始传输数据至簇头节点，簇头接收簇内节点传送的数据，对数据包进行数据融合，然后转发至基站或sink节点，当簇头节点的能量达到预定的能量阈值E总/Surival_Nodes时会给基站发送一个重新分簇的“Re_clu”请求，基站收到“Re_clu”消息后会通过发送“Re_clu_ack”给各簇头启动下一轮分簇，簇头收到基站发送的“Re_clu_ack”给予回复，启动下一轮分簇。簇头向簇内成员节点广播重新分簇消息“R_clu”。

节点侧的NPCHS-Leach算法伪代码：

Begin：

#defineN100//网络节点数

#definedeEini0.5//节点初始能量

Survival_Nodes=N，Eres，Nopt=N*0.05，E0=E总/N；

BroadMulti（Helllo）//节点广播Hello消息到基站和邻居节点；

ReceiveMes（dist，MaxDist）；//节点收到基站发送的距离消息

While（NextRound）

for i=1；i++；i＜=Survival_Nodes；

｛Rand［i］=random（1，1000）；//当前存活节点i产生1到1000的随机数；

BroaMulti（Hello）；//节点向邻居节点广播Hello消息；

RecandCopu（Hello）；//节点接收邻居节点广播的Hello消息；

SeleCH（Nrand）；//计算阈值与选取候选簇头节点；

DeciandJoin（ID）；

｝//选取簇头及其节点归属；

Do｛

Send（Data）；

｝while（Event（CHEny＜CHEnyThr））；

TotEny=TotEnyComp（）；

If（TotEny＞TotEnyThr）｛

NextRound=True；

IniNextRoud（）；｝

end while

SeleCH（Rand［i］）｛//计算阈值与选取候选簇头节点；

（Dmax/Dcurr）+δ3S（i）.CH+δ4SIn）

ifT［i］＞Rand［i］

ifNum［i］＞0then SetCH（ID）；//节点i的邻居节点数大于0则节点i成为候选簇头节点；

Endif；

Endif；｝

IniNextRoud（）｛//发起下一轮的簇头选取

CHSend（Re_clu）；//簇头节点向基站发送Re_clu重新分簇的请求消息；

WaitBS（T）；//等待基站回复消息；

Reciv（Re_clu_ack）；//解析来自基站；

Re_clu_ack消息和下一次分簇的能量阈值E；

BroadReclu（Re_clu）；｝//簇头向所有普通节点发送Re_clu分区消息；

开始下一轮。

3　仿真结果及其分析

3.1网络寿命

本文的网络寿命是指无线传感器网络从正常工作状态到不能正常处理数据或者不能工作的状态所经历的时间，意味着网络生命的终结。网络总能量和存活节点数可用来衡量网络寿命是否结束，当网络总能量低于初始总能量1/3时，网络功能会受很大影响。网络的活动节点数越来越少意味着网络采集的数据也越来越不充分。

3.2仿真模型及其仿真结果

为了模拟提出的协议，根据Leach协议仿真模型建立了如下仿真模型：在100 m×100 m的场所内随机的部署100个节点，每个节点初始能量设置为0.5 J，基站位置为（50，130），最优簇头系数为0.05，保证每轮簇头节点数最优，簇头节点压缩率为5%。

图2为仿真模拟的网络拓扑运行Leach协议、NCHS-Leach协议、CHEF协议和NPCHS-Leach协议第一节点和一半节点死亡周期图。图中能很明显看出NPCHS-Leach协议第一节点和一半节点死亡轮数分别是在1 300和2 400时，NPCH-Leach最优。节点死亡影响整个网络拓扑结构，然而当节点死亡数超过网络总节点一半时，会影响网络正常工作。

图2和图3中结果明确显示NPCHS-Leach协议最优，图3说明运行Leach协议和NCHS--Leach协议、CHEF的工作时间较短。而NPCHS-Leach协议网络状态更为稳定，节点存活时间更长。

图2　R第一节点和一半节点死亡周期图

图3　网络节点存活数与周期数关系示意图

图4R显示出Leach协议和NCHS-Leach协议. CHEF协议分别在轮数为1 000和1 600、18 00时网络的总能量少于1 J，网络基本上就无法正常工作。NPCHS-Leach则是在轮数为4 000左右时网络不能工作，该协议效果最好。因此，仿真结果说明了NPCHS-Leach协议使网络中死亡节点的分布比LEACH、NCHS-Leach、CHEF更加均匀。

图4　网络总能量值与网络周期数关系示意图

图4R的结果很明显地展示了Leach协议和NCHS-Leach总能量消耗较迅速，网络正常工作时间较短，这是源于NCHS-Leach和Leach没有考虑最优簇头数，选取簇头时没有把节点剩余能量、离基站位置和节点成为簇头次数考虑其中，导致离基站较远的节点首先耗尽能量而死亡。

图5（a）和图5（b）证明了Leach协议和NCHSLeach协议中死亡节点主要分布在离基站较远的区域，从而导致网络中节点能量消耗不均衡，使死亡节点分布不均衡。图5（c）表明了NPCHS-Leach中，由于考虑了节点的剩余能量级别，使得死亡节点在整个网络中分布比较均匀，从而避免了由于死亡节点的不均匀分布导致的网络生命周期的缩短。而从图2和图3两个网络仿真结果可以得出NPCHSLeach在NCHS-Leach的基础上生命周期提高了40%～50%。文献［10-11］说明了CHEF，I-Leach比Leach能进一步延长网络生命周期分别达到22.7%、55%，因此NPCHS-Leach是最优的。因此，NPCHS-Leach比Leach，NCHS-Leach，CHEF，I-Leach协议的工作周期更长。

图5　R节点工作状态图

4　结束语

文中提出了一种新的改进型NPCHS-Leach协议，综合考虑了网络能量消耗的平衡，分析影响网络寿命的侦听密度、剩余能量以及簇头离基站距离等因素。在簇头选取策略中引入了权重因子，考虑每个因素对网络和节点的影响程度赋予恰当的权重以均衡网络能量的消耗，且优化网络每轮簇头个数进一步实现网络生命周期最大化。从NPCHSLeach与LEACH、NCHS-Leach的性能对比仿真结果可以看出；对于给定的具有相同初始能量的节点，NPCHS-Leach经历的轮数更长，整个网络能够获得了更长的生命周期，本文的改进协议比NCHS-Leach的生命提高了大约40%～50%，是一种高效的无线传感器网络路由协议。

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An Optimal Clustering Selection Strategy Study on the Weighted NCHS-Leach Protocol*

WANG Lingjiao1，2*，PENG Zhiqiang1，2，LI Zhetao1，2，GUO Hua1，2，ZHONG Yiqun1，2
（1.School of Information Engineering，Xiangtan University，Xiangtan Hu'nan 411105，China 2.Key Laboratory of Intelligent Computing&Information Processing of Ministry of Education，Xiangtan University，Hu'nan 411105，China）

The Leach protocol has been proposed to much extend the life cycle of the network，but the selection of cluster heads has not considered the present residual energy of nodes and nodes distribution，which leads to unbalanced energy consumption of the network.Its improved NCHS-Leach protocol has exist several problems，such as it does not consider the number of a node being elected cluster head node and the distance from the base station to cluster head node.Accordingly，this paper proposes an improved protocol，the NPCHS-Leach protocol，which comprehensively considers nodes'residual energy，the distance from the base station to the cluster head node，the number of a node being a cluster head and listen density to optimize the selection strategy of cluster head node to extend the network life cycle while selecting the cluster head nodes.Through a network topology established randomly by MATLAB simulates the operation of NPCHS-Leach protocol，Leach protocol and NCHS-Leach protocol，the simulation results show that NPCHS-Leach protocol can extend 40-50%of the network life cycle more than NCHS-Leach protocol.

wireless sensor networks；low energy consumption；weights；clustering；leach protocol

王灵矫（1971-），副教授，博士，四川西充县人，1995年毕业于南京理工大学机电工程专业并获学士学位，2003年毕业于重庆邮电大学控制理论与控制工程专业（方向网络管理）并获工学硕士学位，获南京邮电大学信息与通信工程通信与信息系统专业的工学博士学位，现主要从事移动性管理技术、WiMAX网络技术、业务流管理技术的研究，lformat@sina.com；