分层的无线传感器网络非均匀分簇路由算法

无线 传 感 器 网络 (wireless sensor networks，WSN)是由大量的微型的传感器节点构成的，各个节点通过自组织方式构成无线网络，并以相互协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域内的特定信息 。与传统无线网络不同，组成网络的传感器节点的能量有限，且通常无法进行更换。因此，在设计WSN路由算法时，需要重点考虑节点的能量效率以便尽最大可能地延长网络的工作时间 J。

近年来，在无线传感器网络中，有很多分簇路由算法被提出。为了避免簇头过多地消耗能量和减少通信业务量，文献[3]提出了-种低功耗自适应分簇路由算法(1ow energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)。采用循环随机成簇方式，各节点轮流担任簇头，使网络的能量负载均衡到各个节点上，延长了网络的生存时间，但是 LEACH采用单跳通信方式，簇头与基站进行直接通信，造成簇头的通信开销很大。研究已表明，在数据转发过程中簇头和基站之问采用多跳通信方式更有利于节约能量 J。多跳通信方式进行数据传输和转发时，很容易导致与基站较近的簇头因需承担过多的转发任务而过早的死亡，造成网络能耗极不均衡，即所谓热区”问题5 J。针对该问题，文献[7]给出了-种基于分布式的非均匀分簇算法 (energy-eficient unevenclustering，EEUC)，根据候选簇头到基站的距离远近，从地理位置上将网络分成大小不等的非均匀的簇类结构，以便均衡簇头的负载，但是在簇头竞选时没有考虑节点的剩余能量，而且成簇过程中容易出现迭代现象，成簇开销 比较大。文献[8]从部署模型上进行考虑，采用蚁群算法优化网络中各个节点的能耗问题，仿真表明，能够延长网络的生存时问，但是需要人工部署限制了其在实际环境中的应用。

文献[9]提出了负载均衡的自适应分簇算法，在簇头选择上同时考虑簇半径、节点剩余能量和簇头间距，并采用多跳方式进行数据通信。文献[10]对其进行了改进，还考虑了相邻节点的剩余能量。文献[1 1]选择剩余能量最多的节点担任簇头，且限制簇的规模。文献[12]针对热区”问题，提出了采用剩余能量启发合作的传输方式来进行数据传输的方法，以避免能量空洞。但是，上述路由算法皆没有考虑簇间数据传输时的长距离通信问题。

鉴于此，笔者对 EEUC算法进行改进，提出了-种基于分层的非均匀分簇路由算法(1ayered unequalclustering routing algorithm，LUCRA)。LUCRA 的改进之处：-是在 EEUC算法的竞争半径计算方式上引入了节点的剩余能量，以使簇头负载更加均衡。

二是改进了EEUC算法的成簇过程，避免出现迭代现象，提高了算法的收敛速度。三是通过对簇问长距离通信展开分析，建立多个层次的网络结构，并利用相邻簇的交叉节点进行数据转发，极大地减少了数据通信开销，进-步延长了网络的生存时间。

1 系统模型和问题分析1.1 系统模型1.1.1 网络模型假设无线传感网络由Ⅳ个节点组成，节点分布在-个固定大小的区域内。设第 i个节点为 S ，则节点集SS1，S2，S3，，SⅣ-2，s，v-1，S～，I5lN。传感器网络的应用环境是周期性的数据采集，且具有如下性质：基站和节点部署以后不可以移动，