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异构WSN分簇路由算法中的能耗均衡技术研究

摘要

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)作为一项数据收集的新兴技术，近

年来已经成为了学术界的研究热点。因具有易部署、可扩展、可靠性高等特点，在环境

监控、军事侦察等方面有着广泛的应用。然而由于传感器节点能量有限的特点，无线传

感器网络在实际应用中受到很大程度的限制。因此，提高能量效率来延长网络生存周期

已经成为WSN研究的关键。本文针对能量均衡的问题和热点路径问题，对分簇路由算

法进行研究改进，主要研究内容如下：

(1)针对随机选取簇头带来的能量利用效率低且不均衡的问题，提出基于能量均衡

的双层决策分簇路由算法(EnergyBalanceBilevelDecision-makingClusteringRouting

Algorithm,EBBD)。在簇头选举阶段，采用双层决策的方法进行优化，在第一层决策中

先考虑剩余能量和节点密度来选出临时簇头，再在第二层考虑节点的邻近度和中心度，

寻找网络中位置更合适的簇头来降低整个网络的平均能耗，并在第二层决策中引入竞争

机制，避免最终簇头重复覆盖大范围区域，同时也实现了簇头均匀分布在整个网络中，

对簇头的数量也起到了一定程度的优化。在节点入簇阶段，为了避免节点间能耗不均，

综合多个指标对节点入簇进行优化。此外，为了降低频繁成簇带来控制消息所产生的额

外的能量消耗，提出了基于能量的动态成簇方案。通过仿真结果可以看出，EBBD算法

有效的均衡了节点间的能耗，延长了网络的生存周期。

(2)针对簇间中继通信过程中存在的热点问题，提出基于数据分发的簇间中继分簇

路由算法(Inter-clusterRelayClusteringRoutingAlgorithmbasedonDataDistribution,IRDD)。

该算法首先根据簇间通信的特点求出相应的最优簇头个数公式，其次在非均匀竞争机制

的基础上进行优化来实现簇头的选举，同时根据簇间中继能耗分析得到了簇间中继可行

域，对不适合中继传输的簇头节点进行过滤，最后，在簇间路由选择上引入数据分发的

思想，并采用多目标决策矩阵求出对应的代价因子，进而完成对中继簇头的选择，有效

实现了簇间中继通信，避免了“热点路径”导致的簇头间的能耗不均，也让IRDD算法

可以更好的适应不同范围的无线传感器网络。通过仿真结果可以看到，IRDD算法在较

大范围网络下依然能够有效的延长网络生存周期，实现节点间的能耗均衡。

关键词：无线传感器网络；分簇路由算法；簇间中继通信；数据分发；能耗均衡

I

异构WSN分簇路由算法中的能耗均衡技术研究

ABSTRACT

WirelessSensorNetwork(WSN)asanemergingtechnologyfordatacollectionhas

becomearesearchhotspotintheacademiccommunityinrecentyears.WSNhavebeenwidely

usedinenvironmentalmonitoring,militaryreconnaissance,andotherfieldsduetotheirfeatures

ofeasydeployment,scalability,andhighreliability.However,duetothelimitedenergyof

sensornodes,WSNaregreatlyrestrictedinpracticalapplications.Therefore,improvingenergy

efficiencytoprolongthenetworklifetimehasbecomeakeyfocusofWSNresearch.Thisarticle

focusesontheissuesofenergybal