改进分簇路由协议方案：ADEECS技术详解与实现

无线传感器网络（WSN）作为一种分布式信息收集系统，被广泛应用于环境监测、智能家居、医疗健康等多个领域。WSN由许多具有感知、数据处理和无线通信能力的传感器节点组成，这些节点通过自组织方式形成网络，实现信息的采集和传输。由于WSN通常部署在偏远或环境恶劣的地区，节点能量消耗和路由效率成为影响网络性能和生命周期的关键因素。因此，研究节能路由协议对于WSN至关重要。
目前，WSN路由协议主要分为平面路由协议和层次路由协议两类。平面路由协议简单，但在大规模网络中容易产生路由冲突和通信拥塞。层次路由协议通过引入簇结构，提高了网络的扩展性和可管理性。簇头节点负责收集簇内节点数据，并与基站通信，从而减少单个节点的能量消耗。其中，基于簇结构的层次路由协议因其灵活性和高效性，成为了WSN研究的热点。
传统的无线传感器网络分簇路由协议，如LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议，通过随机选择簇头节点的方式来实现网络能量的均衡消耗。然而，LEACH协议存在簇头分布不均匀和簇负载不平衡的问题。为了解决这些问题，研究者们提出了EECS（Energy Efficient Clustering Scheme）协议，该协议在簇头选择阶段考虑了节点的剩余能量，并在成簇阶段综合考虑了节点与簇头的距离以及簇头与基站的距离，从而实现了负载均衡和能量高效的传输。
然而，EECS协议也存在一些问题。首先，在簇头竞选阶段，所有候选节点同时广播竞选消息，容易导致簇头分布漏洞，使得部分区域缺乏簇头节点。其次，EECS协议在成簇阶段没有充分考虑簇头的剩余能量，可能导致部分能量较低的簇头节点过早死亡。
针对EECS协议的不足，本文提出了一种改进的ADEECS（Advanced EECS）协议。ADEECS协议在簇头选举阶段采用了竞争延迟机制，使得簇头竞选更加有序，避免了簇头分布漏洞。同时，在成簇阶段，ADEECS协议设计了新的通信代价计算公式，综合考虑了节点与簇头的距离、簇头与基站的距离以及簇头的剩余能量，进一步优化了网络能量消耗和负载均衡。
ADEECS协议的主要创新点包括：
1. 竞争延迟机制：在簇头竞选阶段，ADEECS协议根据节点的剩余能量和距离基站的距离，为候选节点设置不同的竞选延迟时间。延迟时间越长，节点成为簇头的概率越低，从而避免了簇头分布漏洞。
2. 通信代价计算公式：在成簇阶段，ADEECS协议的通信代价计算公式综合考虑了节点与簇头的距离、簇头与基站的距离以及簇头的剩余能量。通过调整通信代价权重，使得能量较高的节点优先成为簇头，同时保证簇头与基站之间的通信效率。
3. 簇头负载均衡策略：ADEECS协议在成簇过程中，通过比较节点的剩余能量和通信代价，实现簇头负载的均衡分配。优先选择剩余能量较高、通信代价较低的节点加入簇头，从而延长整个网络的生命周期。
实验结果表明，与EECS协议相比，ADEECS协议在网络生命周期、簇头分布均匀性以及能量消耗方面均有显著提升。此外，ADEECS协议的簇头竞选过程更加有序，有效避免了簇头分布漏洞问题。因此，ADEECS协议为WSN节能路由协议的研究和应用提供了新的思路和方法。
在未来研究中，可以考虑进一步优化ADEECS协议，提高其在实际环境中的适应性和可靠性。例如，可以结合实际应用场景，调整竞争延迟时间和通信代价权重，使得ADEECS协议在不同条件下都能表现出优异的性能。同时，还可以探索其他节能路由协议，如基于移动代理、数据压缩等技术，进一步提高WSN的能量利用率和网络性能。

　　1 引言

　　无线传感器网络(Wireless Sensor network，WSN)是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络。传感器网络一般投放在条件恶劣的环境或者难以涉足的地域中，节点电池的更换或能量的补充几乎是不可能的，所以节能路由协议的设计，对无线传感器网络来说意义十分重大。目前，提出的WSN路由协议主要有平面路由协议和层次路由协议两类，其中基于簇结构的层次路由协议是当前国内外研究的热点口。

　　1相关研究

　　WSN分簇路由协议设计的首要目标是通过高效的分簇算法形成合理的网络结构，通过主动的能量管理阻止网络连通性下降，延长网络的生命周期。最典型的无线传感器网络分簇路由协议是LEACH协议，人们在LEACH协议的基础上也研究出很多改进的分簇路由协议，EECS(Energy Efficient Clustering Scheme)协议就是其中一种经典的改进算法。

　　1.1LEACH协议

　　LEACH是分布式成簇协议的代表。每个节点产生一个0～1的随机数，如果这个数小于阈值，则该节点向整个网络广播它是簇头。阈值的计算公式为：

　　

 

　　式中：p是簇头占所有节点的百分比，即节点当选为簇头的初始概率，实际的簇头概率以p为中心上下浮动;r是目前循环进行的轮;G是在最近1/p轮中没有当选过簇头的节点集合。可以看出，当选过簇头的节点在接下来的1轮中将不能成为簇头，而其他节点，因节点产生小于T(n)随机数的概率随之增大，所以节点当选为簇头的概率也增大。竞争成功的簇头节点广播当选的消息后，其他节点根据簇头广播信号的强弱决定加入哪个簇。由于簇头是随机挑选的，因此LEACH协议不能保证簇头在网络中分布均匀，而且节点根据自身通信代价最小原则选择加入哪个簇的成簇算法，但不能保证簇的负载均衡。

　　1.2 EECS协议

　　如前所述，LEACH等算法中，节点根据自身通信代价最小原则选择加入哪个簇，不能保证簇的负载平衡，而且没有考虑距基站较远的簇头能量耗费过快等问题。针对这些问题，EECS提出一个新的通信代价公式(2)来决定节点加入哪个簇：

　　

 

　　式中：cost(j，i)是节点Pj加入簇头i的代价;d(Pj，CHi)是节点到簇头的距离。式(3)中f子函数保证最小化节点与簇头之间的通信代价;d(CHi，BS)是簇头i到基站的距离，式(3)中g子函数保证最小化簇头i到基站的通信代价;权值w的设置则根据具体应用，在成员节点能量与簇头能量消耗之间折衷，目标是最大化网络生命周期。节点Pj选择cost(j，i)最小的簇头i加入，从而保证每个簇头负载均衡。实验结果显示，EECS协议的网络生命周期较LEACH协议提高了30%以上。

　　2问题的描述

　　EECS算法的实质是在簇头选择阶段，总是让剩余能量最大的节点当选为簇头;在成簇阶段，联合考虑普通节点与簇头的距离，以及簇头与基站的距离。其创新之处在于：只有小部分节点参加簇头的竞选;在局部范围内广播消息，选举过程没有迭代;以节点的剩余能量为竞选参数;设计了簇头之间负载均衡的策略。

　　EECS协议存在的问题：

　　(1)EECS算法在成簇阶段让候选节点同时广播竞选消息COMPETE_HEAD，容易造成簇头分布漏洞问题。如图1所示，节点C在B的竞选半径内;节点B在A的竞选半径内，且剩余能量方面A>B>C。在这种情况下，C收到B的竞选消息退出竞选的同时，B收到A的竞选消息退出竞选，这就会造成局部簇头分布漏洞的情况。

　　(2)EECS算法在成簇阶段的通信代价只考虑了普通节点与簇头的距离，以及簇头与基站的距离，没有考虑簇头的剩余能量。这样就会造成部分剩余能量相对较少簇头节点的早死现象。

　　针对EECS协议存在的问题提出了ADEECS(Advanced EECS)协议，该算法在簇头选举阶段使用了竞争延迟的方法，在成簇阶段设计了新的通信代价计算公式。