基于虚拟蜂窝分区的路由优化算法
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作者:孟德智
摘要：为有效地均衡网络能耗，延长网络生命周期，提出一种虚拟分区自适应分簇路由优化算法。该算法将监测区域进行多六边形划分，再利用虚拟力和位置优化簇头选举，最终形成可自适应选举簇头的多跳无线传感器网络。仿真实验表明，此算法在降低能耗和延长网络寿命方面，均优于CRVB、IHCRA算法。
关键词：WSN;虚拟分区;六边形划分;能耗均衡
中图分类号：TP393.3 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）19-0006-Oc
开放科学（资源服务）标识码（0SID）：
1 引言
无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种自组织网络，具有广泛应用。但固定能量制约其发展，如何优化路由协议、降低能耗成为WSN热门研究领域[1-2]。
分簇路由协议能够延缓能量消耗，优质传输路径的质量往往正向影响网络的生命周期[3-4]。文献[5]通过最优格距组织成簇，减少通信时延和能耗，但采用正方形聚类，簇间通信能耗大，节点覆盖冗余高。文献[6]采用六边形聚类方法，将角度引入新簇头概率选取公式，保证CH均匀分布，取得不错效果。
综合上述文献，本文提出基于虚拟蜂窝分区的路由算法HCARA（Hexagonal Clustering Adaptive Routing Algorithm），蜂窝虚拟分区保证网络可拓展性和抑制节点冗余覆盖的产生。竞选CH引入“虚拟力”和地理位置适应因子，并自适应更换CH结点，推迟节点死亡时间，延长网络生存周期。
2 相关工作
2.1 能耗模型
2.2 网络模型
传统分簇路由算法多是采用圆形聚类，其中圆形簇团只有互相堆叠才能避免检测黑洞。而六边形簇团彼此相切，且簇团中心到任一相邻簇团的距离相等，说明蜂窝分簇相覆盖性更好。
3 HCARA路由算法
3.1虚拟分区
HCARA算法中建立如图2所示虚拟分区。其网络模型如下所示：
簇团由大量低功耗、限定能源传感器节点组成，节点具有唯-ID和定位功能，根据位置可知所属簇团C-ID （Cluster-ID）。SINK节点所处第1簇团，其他依次为Ⅱ、Ⅲ层。如此分区不仅减少成簇复杂度，且维持CH分布较均匀。
3.2 CH选举
首轮CH选举阶段，节点发送自身信息到临近节点，信息包括剩余能量、ID、和C-ID。节点只记录相同C-ID节点信息。确定同簇节点后开始竞争CH，因初始能量相同，根据定位算法选近簇中心节点为首轮CH并广播，其余节点退出竞争，首轮竞选结束。CH能量小于竞选时平均能量Eave70%时申请重新竞选，下一轮竞选开始。此时节点能量不同，采用式（2）计算竞选概率：
4 仿真结果与分析
为验证HCARA算法有效性，文本通过MATLAB仿真平台与IHCRA算法和CRVB算法进行实验，其中分别就总能耗和剩余节点数进行比较。相关参数设置如表1所示：
网络运行是以节点正常工作为基础，剩余能量应占更大比重，取α1=0.7、α2=0.3。
网络存活节点是指网络运行至某时刻存活节点的数量。图3中CRVB算法最早出现节点死亡，IHCRA和HCARA则相对较晚。600s后HCARA在存活结点数方面始终占优。说明HCARA算法能实现均衡节点负载和延长网络寿命。
网络剩余能量是指某时刻网络总能量剩余情况。图4中200s左右网络能耗增加，所有算法剩余能量均快速下降;400-800s时CRVB算法能量消耗最快，而IHCRA和HCARA能耗曲线则相对平缓;1200S时剩余能量依次为36%，42%和44%。说明HCARA算法将虚拟蜂窝分区和新竞选概率公式结合，在均衡能耗和提高能量利用率方面效果更好。
5 结束语
文本提出蜂窝分簇的多跳路由算法。算法首先采用虚拟蜂窝分区，并在竞争簇首时引入虚拟力和位置因素竞选簇首，并设置一定阈值自适应更换CH。仿真实验结果显示出：相比于IHCRA算法和CRVB算法，本文提出的基于蜂窝分区的路由算法在提高能量利用率，延长了网络生存周期方面，效果较好。
参考文献：
[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，25（4）：114-124.
[2]李建中，高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2008（1）：1-15.
[3]王继红，石文孝.认知无线传感器网络分簇路由协议综述[Jl.通信学报，2018，39（11）：156-169.
[4]张文梅，廖福保，改进的无线传感器网络非均匀分簇路由算法[Jl，传感技术学报，2015，28（5）：739-743.
[5]朱敏，肖震，刘吴霖，高弘博.WSN中基于虚拟网格的分簇路由算法[J].四川大学学报（工程科学版），2012，44（5）：143-148.
[6]余修武，胡沐芳，劉琴，刘永.基于蜂窝虚拟网格的WSN混合多跳分簇路由算法[J].传感技术学报，2018，31（10）：1573-1577.
【通联编辑：梁书】
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