一種多級(jí)異構(gòu)wsns路由策略

一種多級(jí)異構(gòu)wsns路由策略

由于各種資源的限制，通信協(xié)議一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的一個(gè)嚴(yán)重缺陷。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的無線網(wǎng)絡(luò)。由于它不關(guān)心數(shù)據(jù)的傳輸方和接收方，它與通常的網(wǎng)絡(luò)（如etheret）或無線網(wǎng)絡(luò)（如移動(dòng)adhoc網(wǎng)絡(luò)）非常不同。因此，很難直接從移動(dòng)adhoc網(wǎng)絡(luò)的ip地址和傳統(tǒng)跳轉(zhuǎn)路徑中復(fù)制到w傳感器網(wǎng)絡(luò)。層次化路徑是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)典型通信協(xié)議。這種集群思維和數(shù)據(jù)整合機(jī)制彌補(bǔ)了傳統(tǒng)平面路徑的不足，確保了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性和負(fù)荷的平衡，最大限度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)生命周期。在過去的十年里,LEACH(Low-energyadaptiveclusteringhierarchy)協(xié)議一直被認(rèn)為是WSNs分簇算法中最具代表性意義的能量節(jié)約型分布式路由協(xié)議,但也存在著不少問題:1)未考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量;2)簇頭選取分布不均;3)隨機(jī)選取簇頭及成簇方式容易帶來大量不確定因素;4)容易出現(xiàn)能耗不均的現(xiàn)象.針對(duì)上述問題,不少學(xué)者在LEACH的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)算法,如PEGASIS(Power-efficientgatheringinsensorinformationsystems)、TEEN(Thresholdsensitiveenergyefficientsensornetworkprotocol)、HEED(Hybrid,energy-efficient,distributedclusteringapproach)等.此類協(xié)議針對(duì)同構(gòu)WSNs,在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)不盡如人意.近些年來,國(guó)內(nèi)外有關(guān)異構(gòu)WSNs的路由協(xié)議研究層出不窮.如劉志等提出分環(huán)多跳分簇路由算法,在不同環(huán)內(nèi)構(gòu)建大小不同的簇,同時(shí)以分環(huán)方式實(shí)現(xiàn)簇頭間的多跳通信,能基本滿足節(jié)點(diǎn)能量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò).文獻(xiàn)提出了異構(gòu)感知分簇協(xié)議(Stableelectionprotocol,SEP),它把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為高級(jí)與普通兩種類型,其中高級(jí)節(jié)點(diǎn)比普通節(jié)點(diǎn)裝配更多的起始能量,根據(jù)剩余能量及加權(quán)選擇概率選舉每個(gè)簇的簇頭.SEP能夠在兩級(jí)異構(gòu)WSNs中獲得更長(zhǎng)的穩(wěn)定期生命周期,但不足以勝任多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.同樣針對(duì)兩級(jí)異構(gòu)WSNs,Zhou等考慮所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量和能耗速率,提出可靠的傳輸協(xié)議(Energydissipationforecastandclusteringmanagement,EDFCM),該協(xié)議在給出能耗數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上以一階能量消耗預(yù)測(cè)作為簇頭選舉依據(jù),但這一過程必須要知道下一輪的近似平均能耗,而預(yù)測(cè)全網(wǎng)可能的生存時(shí)間和下輪平均能耗存在一定的難度,往往容易造成結(jié)果的偏差.Qing等以節(jié)點(diǎn)剩余能量和全網(wǎng)平均剩余能量之比作為簇頭選舉條件,提出了一種適用于兩級(jí)異構(gòu)WSNs并可進(jìn)一步推廣到多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分布式能量高效分簇路由協(xié)議(Distributedenergyefficientclustering,DEEC).DEEC也是依靠估計(jì)網(wǎng)絡(luò)總的生命周期來計(jì)算全網(wǎng)每輪近似的平均剩余能量,然而評(píng)估全網(wǎng)可能的理想生存時(shí)間顯然是極其困難的,不可預(yù)測(cè)的.而Kumar等提出針對(duì)三級(jí)異構(gòu)WSNs(節(jié)點(diǎn)被分為超級(jí)、高級(jí)和普通三種類型)的能量高效異構(gòu)聚簇算法(Energyefficientheterogeneousclustered,EEHC),同DEEC相似,EEHC同樣依賴于節(jié)點(diǎn)剩余能量和相似的加權(quán)選擇概率選舉簇頭,無法證明是否適用于多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò).上述大部分協(xié)議都偏向于兩級(jí)或三級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),并無進(jìn)一步證明其是否仍適用于情況更加復(fù)雜、更貼合實(shí)際的多級(jí)異構(gòu)WSNs.本文主要針對(duì)異構(gòu)環(huán)境下的多級(jí)WSNs,假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在初始狀態(tài)下裝配不同的起始能量,而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)每輪消耗的能量也是不盡相同的.區(qū)別于同構(gòu)的WSNs,異構(gòu)多級(jí)特征更能接近于實(shí)際網(wǎng)絡(luò),符合實(shí)際應(yīng)用需要.為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期,本文提出一種新的高效動(dòng)態(tài)聚簇策略(Efficientanddynamicclusteringscheme,EDCS).EDCS在給定的多級(jí)異構(gòu)WSNs環(huán)境下,重點(diǎn)分析了平均網(wǎng)絡(luò)能量估計(jì),并基于該能量估計(jì)提出新的簇頭選舉機(jī)制,同時(shí)引入類萬有引力定律來指導(dǎo)簇形成過程.最后本文還給出了EDCS與其他幾類算法的比較結(jié)果.1多級(jí)異構(gòu)wsns的聚簇網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)WSNs包含計(jì)算異構(gòu)、鏈路異構(gòu)和能量異構(gòu)三種類型,為了滿足異構(gòu)WSNs的要求和減少其復(fù)雜性,本文暫且只考慮能量異構(gòu)類型.文獻(xiàn)分別給出兩級(jí)和三級(jí)兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特例模型,本文在此基礎(chǔ)上給出多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型.假設(shè)N個(gè)全然不同的傳感節(jié)點(diǎn)均勻部署在M×M的正方形區(qū)域,非簇頭節(jié)點(diǎn)不允許直接與基站通信,只有每個(gè)簇的簇頭才能與基站直接數(shù)據(jù)通信.特別地,簇頭也只能在其通信范圍內(nèi)接收到非簇頭節(jié)點(diǎn)的信息(保證同簇才能通信),并在發(fā)送給基站前執(zhí)行融合策略來減少數(shù)據(jù)冗余度.在多級(jí)異構(gòu)WSNs中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝配區(qū)間[E0,E0(1+λ)]的初始能量,且每個(gè)節(jié)點(diǎn)保持不同的能量,其中E0是初始能量的下界,參數(shù)λ為常數(shù),λ>0,且決定最大初始能量的設(shè)置倍數(shù),如果λ=0即視為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò).令當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)是由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的節(jié)點(diǎn)集記為S,且S={si|si=(xi,yi),si∈R2,i=1,2,…,N}.因此,節(jié)點(diǎn)si裝配的初始能量為E0(1+λi),表示該節(jié)點(diǎn)裝配了能量為λi倍最低下界E0的能量,那么該異構(gòu)WSNs的所有節(jié)點(diǎn)初始能量和為實(shí)際上,從式(1)發(fā)現(xiàn),整個(gè)異構(gòu)WSNs的初始能量可等價(jià)于裝配了初始能量為E0的（N+ΣNi=1λi）節(jié)點(diǎn)規(guī)模的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò),但其聚簇過程卻是要復(fù)雜許多.不失一般性,假設(shè)基站位于網(wǎng)絡(luò)的中心位置(同文獻(xiàn)[3,5,8-9]),且各節(jié)點(diǎn)保持靜止或者微移動(dòng).此外,本文仍然沿用文獻(xiàn)的能耗模型.2edec協(xié)議2.1網(wǎng)絡(luò)剩余能量預(yù)測(cè)能量因素是每個(gè)通信協(xié)議必須要面對(duì)的首要問題,對(duì)于下一輪平均網(wǎng)絡(luò)能量的估計(jì),有助于分簇算法中簇頭的準(zhǔn)確選取.選舉剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)成為簇頭,能夠使得全網(wǎng)的能耗達(dá)到均衡,從而提升有限資源環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的生命周期.給定一理想狀態(tài),節(jié)點(diǎn)都是均勻分布的,且由于負(fù)載均衡最后所有節(jié)點(diǎn)都在同一時(shí)間死亡.令為這一理想狀態(tài)下第r輪網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量,則有:其中,R為網(wǎng)絡(luò)總的生存時(shí)間.如果網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量滿足或者接近式(2),那么就能最大限度地保證所有節(jié)點(diǎn)能在同一時(shí)刻死亡,從而在某種程度上提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間.為計(jì)算理想狀態(tài)下第r輪網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量,參數(shù)R作為網(wǎng)絡(luò)總的生存時(shí)間也是十分重要的.通常預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)生命周期極其困難,在前述理想狀態(tài)下,R可近似地表示為這里,Eround是每輪所有節(jié)點(diǎn)消耗的能量之和.根據(jù)能耗模型,則有ECH,EnonCH分別對(duì)應(yīng)簇頭節(jié)點(diǎn)和非簇頭節(jié)點(diǎn)每輪發(fā)送l位消息包消耗的能量,其中Eelec為節(jié)點(diǎn)發(fā)射每位(bit)數(shù)據(jù)消耗的能量,參數(shù)ξfs為傳輸放大參數(shù);k為該輪網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)量,EDA為處理融合每位數(shù)據(jù)消耗的能量,dtoBS為簇頭節(jié)點(diǎn)與基站的平均距離,dtoCH則為非簇頭節(jié)點(diǎn)與簇頭的平均距離.在假設(shè)N個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布于M×M區(qū)域的條件下,dtoBS和dtoCH分別表示為由此,可以計(jì)算得出每個(gè)簇每輪消耗的能量,進(jìn)而獲得全網(wǎng)k個(gè)簇每輪消耗的總能量:將式(1)、(6)～(8)代入式(3)即可求得理想狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)生存周期,從而計(jì)算得到式(2)的第r輪理想平均剩余能量.此外,令kopt為最優(yōu)簇頭數(shù)量,popt為最優(yōu)的簇頭占有比,則有:獲取網(wǎng)絡(luò)每輪運(yùn)行分簇的最優(yōu)簇?cái)?shù)kopt是NP難問題,通過式(9)便可以最小代價(jià)計(jì)算獲得kopt,從而作為k代入式(8)進(jìn)一步計(jì)算.而最優(yōu)簇頭占有比popt通?？筛鶕?jù)一定的先驗(yàn)知識(shí)預(yù)先設(shè)定.事實(shí)上,上述情況下所得的網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量是理想前提下得到的估計(jì)值,且網(wǎng)絡(luò)生命周期R也是在此理想條件下估算得到,其最終結(jié)果并不可靠,并不能適應(yīng)于真實(shí)環(huán)境下的異構(gòu)WSNs.因此,考慮結(jié)合上一輪消耗的平均剩余能量和上一輪分簇后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)消耗的能量,能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)下一輪網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量.式(10)給出了預(yù)測(cè)第r輪的網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量,其中,為第r-1輪(上一輪)全網(wǎng)的平均剩余能量,Ei(r-1)為節(jié)點(diǎn)si在第r-1輪消耗的能量,而ΣNi=1Ei(r-1)則為上一輪全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)消耗的能量之和,這里每個(gè)節(jié)點(diǎn)si并不需要獲知其他節(jié)點(diǎn)剩余能量值,在每輪通信結(jié)束前,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)將自身的剩余能量嵌入消息包并發(fā)送出去,最終不受能量約束的Sink節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果,并將該結(jié)果以消息包的形式逐級(jí)傳輸給網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn);α為加權(quán)系數(shù),且α∈(0,1),α越小則表示歷史能量消耗參考值在預(yù)測(cè)本輪的平均剩余能量中占據(jù)的比重越大,反之則是理想狀態(tài)估計(jì)值所占比例大.式(10)給出的最終預(yù)測(cè)結(jié)果減小了原先理想狀態(tài)下的估計(jì)誤差,使得估計(jì)得出的第r輪網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量更接近當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際值.2.2節(jié)點(diǎn)si選舉概率平均網(wǎng)絡(luò)能量估計(jì)對(duì)簇頭選取起到指導(dǎo)性作用.顯然,除優(yōu)先選取較高剩余能量的節(jié)點(diǎn)作為簇頭外,也要考慮全網(wǎng)能耗的平衡,如果能保證所有節(jié)點(diǎn)均能幾乎在同一時(shí)間段內(nèi)死亡,網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間必然增長(zhǎng),那么簇頭選舉還是相對(duì)成功的.令τi為節(jié)點(diǎn)si當(dāng)選簇頭的輪轉(zhuǎn)周期,已知popt為最優(yōu)簇頭占有比,在同構(gòu)WSNs或理想態(tài)異構(gòu)WSNs中,能夠確保網(wǎng)絡(luò)每輪都會(huì)形成N·popt簇頭(即式(9)成立),而節(jié)點(diǎn)si每隔τi=1/popt輪當(dāng)選一次簇頭,且有τ1=τ2=…=τN-1=τN.遺憾的是,在實(shí)際多級(jí)異構(gòu)WSNs環(huán)境下,各節(jié)點(diǎn)擁有不同的初始能量,如果仍然按照同構(gòu)環(huán)境下的機(jī)制,必然會(huì)導(dǎo)致低能量的節(jié)點(diǎn)提前耗盡自身能量死亡,從而就會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作和生存時(shí)間.因此,EDCS中每個(gè)節(jié)點(diǎn)si當(dāng)選簇頭的輪轉(zhuǎn)周期τi必不相同,且依賴于該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量.令Pi為節(jié)點(diǎn)si在第τi輪轉(zhuǎn)周期內(nèi)當(dāng)選簇頭的平均概率,Pi=1/τi.在同構(gòu)環(huán)境下,Pi可以等價(jià)地被看成popt,然而異構(gòu)環(huán)境下,由于節(jié)點(diǎn)裝配不同的初始能量,帶有較高能量的節(jié)點(diǎn)滿足Pi>popt,反之則有可能Pi<popt.將能量因素引入到簇頭選舉過程中,則節(jié)點(diǎn)si當(dāng)選的平均概率Pi可寫為其中,Eires(r)為節(jié)點(diǎn)si第r輪的剩余能量,因?yàn)?則式(11)可轉(zhuǎn)化為上式給出單個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的平均概率,那么所有節(jié)點(diǎn)當(dāng)選的權(quán)重(即每個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的平均概率之和)則可表示為顯然,從式(13)可以發(fā)現(xiàn),所有節(jié)點(diǎn)當(dāng)選的權(quán)重剛好為當(dāng)前最優(yōu)簇的數(shù)量,這也確保多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下每個(gè)周期內(nèi)簇頭數(shù)量的穩(wěn)定.而根據(jù)式(12),節(jié)點(diǎn)si的輪轉(zhuǎn)周期τi也可以表示為其中,τopt是節(jié)點(diǎn)成為簇頭的最優(yōu)輪轉(zhuǎn)周期,τopt在這里可以等價(jià)為1/popt.顯然,從式(14)可以看出,節(jié)點(diǎn)si的剩余能量越多,則其輪轉(zhuǎn)周期也就越短,該節(jié)點(diǎn)也就越有可能成為簇頭,反之則亦然.以剩余能量作為主要考慮機(jī)制,可以盡可能緩解由于節(jié)點(diǎn)初始化能量不同以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中節(jié)點(diǎn)耗能不同所帶來的全網(wǎng)負(fù)載不均、生存時(shí)間降低的問題,從而進(jìn)一步平衡網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量消耗,最終延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期.另一方面,式(14)也從側(cè)面反映了節(jié)點(diǎn)si的輪轉(zhuǎn)周期τi將圍繞著最優(yōu)輪轉(zhuǎn)周期上下波動(dòng).針對(duì)本文提及的多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型,引入簇頭選取加權(quán)概率,可以較好地解決異構(gòu)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)成為簇頭概率的不定性.因此,多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的單獨(dú)節(jié)點(diǎn)si的加權(quán)概率為此時(shí),P′(si)可以等價(jià)地視為式(12)中同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的popt,將P′(si)代入式(12),即可得到多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)si當(dāng)選簇頭的平均概率:同時(shí)得到多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點(diǎn)si當(dāng)選簇頭的輪轉(zhuǎn)周期τ′i為與前述同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相似,剩余能量決定了簇頭選舉方向,當(dāng),則τ′i<τ′opt,反之亦然.由于多級(jí)異構(gòu)環(huán)境下初始能量裝配和運(yùn)行消耗都不同,更需要多考慮全網(wǎng)能量的均衡消耗,而本文提出的EDCS使得能量多的節(jié)點(diǎn)更易成為簇頭節(jié)點(diǎn),從而盡可能地平衡各節(jié)點(diǎn)的能耗.令T(si)為節(jié)點(diǎn)si選舉成為簇頭的概率閾值,則有:其中,r是輪數(shù),G是當(dāng)前輪轉(zhuǎn)周期內(nèi)未當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)集,當(dāng)節(jié)點(diǎn)si的在τ′i輪轉(zhuǎn)周期內(nèi)并未當(dāng)選過簇頭,那么該節(jié)點(diǎn)就屬于G.同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中popt起到一個(gè)關(guān)鍵性的作用,而在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,平均概率P′i決定了節(jié)點(diǎn)si的閾值T(si)大小和簇頭輪轉(zhuǎn)周期τ′i.這里,P′i將popt作為標(biāo)準(zhǔn),始終圍繞其做上下波動(dòng).現(xiàn)將式(16)代入式(18)得到式(19).此時(shí),式(19)是最終節(jié)點(diǎn)當(dāng)選概率閾值的計(jì)算式.每一輪節(jié)點(diǎn)si隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)區(qū)間為(0,1)的小數(shù)Rand(0,1),并與之閾值T(si)做比較,若Rand(0,1)<T(si),則節(jié)點(diǎn)si將成為簇頭.迭代執(zhí)行上述過程,便可選舉得到本輪k個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)集.2.3多非簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇待簇頭選出后,便向全網(wǎng)廣播自己當(dāng)選的消息,并等待其他非簇頭節(jié)點(diǎn)的加盟.在通信范圍內(nèi),非簇頭節(jié)點(diǎn)接收多個(gè)簇頭發(fā)送的邀請(qǐng)加入的消息包,通過判定接收信號(hào)的強(qiáng)弱(Receivedsignalstrengthindicator,RSSI)確定發(fā)送方和接收方之間的距離d(i,j).引入類萬有引力定律,非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)下式給出的簇頭引力來確定到底加入哪個(gè)簇.其中,F(i,j,r)為第r輪非簇頭節(jié)點(diǎn)i與簇頭節(jié)點(diǎn)j之間的引力,Ejres(r)則為第r輪簇頭sj的剩余能量.簇形成過程仍然本著負(fù)載均衡的目的出發(fā),盡量考慮在剩余能量較多的簇頭周圍聚集較多的非簇頭節(jié)點(diǎn),同時(shí)考慮兩者之間的距離因素,因?yàn)槠胀ü?jié)點(diǎn)離簇頭越遠(yuǎn),就意味著它們之間的通信將消耗更多的能量.從式(20)可以看出,哪個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量Ejres(r)越大,則當(dāng)前非簇頭節(jié)點(diǎn)越有機(jī)會(huì)加入該簇;簇頭與非簇頭節(jié)點(diǎn)的距離也同樣決定加入哪個(gè)簇,距離越大則引力越小,那么加入該簇的可能性也就越小,反之則加入可能性越大.此外,尤其是在網(wǎng)絡(luò)生命中后期,由于節(jié)點(diǎn)能量與節(jié)點(diǎn)間距離存在的數(shù)量級(jí)差別越來越大,為有效避免極端情況(某一成員節(jié)點(diǎn)遇到同時(shí)存在一個(gè)能量小距離近的簇頭和一個(gè)能量大而距離遠(yuǎn)的簇頭而難以抉擇)的出現(xiàn),以網(wǎng)絡(luò)前期能量與距離之比為參照,在實(shí)驗(yàn)過程中采用相對(duì)量,執(zhí)行歸一化操作.通過式(20)的計(jì)算,每個(gè)非簇頭節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過比較引力大小后即確定本輪應(yīng)該加入哪個(gè)簇,并向該簇的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求加入消息包.簇頭在接收到非簇頭節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求加入消息后,立即為該節(jié)點(diǎn)分配(Timedivisionmultipleaccess,TDMA)時(shí)隙,并建立TDMA時(shí)間表后向所有的簇內(nèi)成員轉(zhuǎn)發(fā).而簇內(nèi)成員接收簇頭的TDMA時(shí)間表后,保存并等待簇頭分配的時(shí)隙與簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.圖1給出了完整的簇形成過程的流程圖.一旦簇全部形成,EDCS協(xié)議便進(jìn)入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段,簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)將在既定的TDMA時(shí)隙內(nèi)把數(shù)據(jù)包發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn).簇頭在接收數(shù)據(jù)后執(zhí)行數(shù)據(jù)融合算法,同時(shí)臨時(shí)存儲(chǔ)并等待轉(zhuǎn)發(fā)基站.在各簇頭將積累到一定程度的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站后,本輪的簇頭選擇、簇形成和數(shù)據(jù)通信就告一段落.緊接著新一輪的迭代過程開始,一直到各節(jié)點(diǎn)耗盡所有能量,網(wǎng)絡(luò)生命周期才宣告結(jié)束.3模擬研究3.1仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析為驗(yàn)證EDCS協(xié)議的有效性,尤其是評(píng)估其在多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的性能,本文采用Matlab驗(yàn)證平臺(tái),同時(shí)在相同網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下,將其與經(jīng)典的LEACH,SEP,DEEC和EDFCM協(xié)議做仿真比較實(shí)驗(yàn).如表1所示,N=100或200個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于(100m×100m區(qū)域,且基站位于感知區(qū)域的中心(50,50).為凸顯多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì),每個(gè)節(jié)點(diǎn)將被賦予不同的初始能量,且能量預(yù)測(cè)加權(quán)比重系數(shù)為0.5(即理想估計(jì)和歷史參考各占一半).此外,本文的仿真實(shí)驗(yàn)暫且不考慮無線信道的沖撞和干擾,且LEACH,SEP和EDFCM都已經(jīng)擴(kuò)展,從而使之可以運(yùn)用于多級(jí)異構(gòu)WSNs.與同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相似,網(wǎng)絡(luò)的生命周期、數(shù)據(jù)包吞吐量(基站接收到的數(shù)據(jù)包)將作為檢驗(yàn)EDCS性能的重要指標(biāo).由于WSNs網(wǎng)絡(luò)自身資源的限制,這就要求最終形成實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)能在該有限資源環(huán)境下盡可能地延長(zhǎng)生存時(shí)間.另外,根據(jù)表1給出的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置,不僅驗(yàn)證EDCS與LEACH,SEP,DEEC,EDFCM在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度下的性能,而且還衡量其在多級(jí)能量配置下的比對(duì)結(jié)果.3.2deec與edfcm為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀有效,消除隨機(jī)不確定因素,本文均取多次仿真實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果.圖2給出了N=100個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的生命周期,其中λ=4.0,每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)裝配[E0,5E0]的初始能量,形成多級(jí)能量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò).從圖2可以看出,LEACH協(xié)議本身就是為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)服務(wù),只在同構(gòu)環(huán)境下才能發(fā)揮較大的通信效率,而在該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中并不能有效節(jié)約能量消耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間.SEP協(xié)議較LEACH協(xié)議擁有更長(zhǎng)的通信穩(wěn)定期(網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行至第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡這段時(shí)間),但在通信后期(不穩(wěn)定期)甚至還不如LEACH.這是由于SEP協(xié)議的提出雖然基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),但其只局限于兩級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),在給定的多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中效果卻并不理想.DEEC適用于兩級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并可直接擴(kuò)展至多級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),但過于理想態(tài)的平均能量供給阻礙了簇頭選舉過程,從而影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間.與SEP相似,EDFCM在兩級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)優(yōu)異但強(qiáng)制擴(kuò)展至多級(jí)異構(gòu)環(huán)境卻仍有所局限.相比較LEACH,SEP,DEEC和EDFCM而言,本文提出的EDCS較適合于多級(jí)異構(gòu)環(huán)境,其生命周期也較上述四類協(xié)議有所增長(zhǎng).EDCS在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間上分別較LEACH,SEP,DEEC和EDFCM協(xié)議延長(zhǎng)79.5%,55.4%,48.6%和13.6%;而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間則較LEACH,SEP,DEEC和EDFCM協(xié)議分別增長(zhǎng)42.4%,46.3%,20.2%和20.4%.之所以執(zhí)行EDCS協(xié)議的生命周期要長(zhǎng)于其他四類協(xié)議,是因?yàn)槠鋼碛懈訙?zhǔn)確的平均能量評(píng)估機(jī)制,將理想狀態(tài)下的能量預(yù)測(cè)與實(shí)際歷史能耗參考值結(jié)合考慮,更加準(zhǔn)確地估計(jì)網(wǎng)絡(luò)下一輪的能量消耗,進(jìn)而指導(dǎo)簇頭的選取;同時(shí)配合類萬有引力思想,能夠構(gòu)建較為理想的簇,這對(duì)于節(jié)點(diǎn)的能量消耗乃至全網(wǎng)能耗的負(fù)載均衡都提供了較強(qiáng)保障.現(xiàn)在再來觀察能量異構(gòu)因子λ對(duì)于EDCS的影響,如圖3和圖4所示,參數(shù)λ分別對(duì)應(yīng)于0.5～4.0設(shè)置環(huán)境下的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡和全部節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間.從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著能量參數(shù)設(shè)置的提高,即節(jié)點(diǎn)裝配更多的初始能量,有助于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期.在此情形下,幾類協(xié)議包括EDCS都是隨著參數(shù)λ的增加而使得網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間呈遞增趨勢(shì).而圖3和圖4也從側(cè)面反映了不管能量參數(shù)λ如何變化,EDCS協(xié)議的生存周期都要長(zhǎng)于其他四類協(xié)議.另外,圖5和圖6給出了200個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)密度環(huán)境下五類協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比.顯然,隨著能量參數(shù)λ的增加,五類協(xié)議不管是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間或是全部節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間都呈遞增趨勢(shì),而EDCS依舊凌駕于其他四類協(xié)議之上.同時(shí),圖5和圖6給出的曲線走勢(shì)結(jié)果