摘要 针对无线传感器网络（WSN的高能效路由选择问题，在混合式能量均衡分簇（HEED算法基础上提出一种基于位置信息的低能耗双簇头多跳路由算法（HEEDEELD。假设网络中所有节点都具有位置感知能力，网络根据最佳单跳距离划分层级，节点根据自身位置确定所在层级。簇内选举产生双簇头，分担单一簇头的工作，均衡簇头能耗。在簇间多跳路由中，簇头根据位置、距离和剩余能量的代价函数选择最优路由。Matlab仿真结果表明，与低功耗自适应分簇（LEACH算法、HEED算法相比，提出的HEEDEELD在网络寿命、能量效率、能耗均衡等性能方面具有明显的性能增益。
　　关键词 无线传感器网络；高能效路由；多跳；双簇头；位置信息；分层
　　中图分类号 TP393.01
　　文献标志码 A
　　英文标题
　　0引言
　　无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN由分布在任务区域内的大量传感器节点组成，各节点利用无线通信方式形成一个多跳的自组织网络。各种集成化的微型传感器相互协作地采集和处理网络覆盖区域中监测对象的信息，并发送给基站[1]。而传感器节点在使用过程中能量通常无法补给，因而如何高效利用能量从而延长WSN寿命，成为无线传感器网络设计的首要目标。现有的节能路由协议研究中，基于分簇[2]的路由算法是其中主要方法之一，其基本思想是将无线传感器网络划分为多个簇的结构，簇头节点负责搜集簇内成员节点采集的数据，并进行数据聚合处理。簇头节点间再通过协作的方式将融合后的数据传送回基站[3]。
　　HEED（Hybrid EnergyEfficient Distributed clustering[4]分簇算法首次提出主、次两个参数进行簇头选取的概念
　　主参数依赖于节点的剩余能量，节点根据主参数随机选取初始簇头集合，具有较多剩余能量的节点将有较大机会暂时成为簇头；次参数依赖于簇内通信代价，HEED使用簇内平均可达能量（Average Minimum Reachability Power， AMRP作为衡量簇内通信代价的标准，在簇重叠区域中的节点根据次参数，选择最终加入哪个簇。由于HEED分簇算法良好的能耗性能，近年来，国内外学者针对HEED分簇算法的研究与改进做了很多工作。针对HEED中簇头直接与汇聚节点通信要消耗很大的能量，Younis等[5]提出了一种基于HEED协议的簇头间多跳路由算法HEEDM，该算法旨在减少簇头节点发送到汇聚节点的数据量，从而降低能量消耗，达到延长网络生命周期的目的。文献[6]提出了HEEDCHEE分簇算法，对“孤儿节点”和“孤立簇头节点”引入“最优邻居中继入簇”策略，减少分簇产生的簇头数目和簇间节点通信开销。文献[7]提出一种自适应的动态多跳非均匀分簇方法，将传感器网络中的簇根据实际需要进行不均匀划分。通过均衡簇能量与其所承担任务，有效地延长网络的生命周期。文献[8]提出一种自适应负载均衡分群算法，根据网络的连通情况自适应设置群规模门限，并将孤立成群节点加入到邻近的非孤立节点群，提高群间均匀性和非孤立节点群数量。在文献[9]中选举簇头依据剩余能量和最佳簇头间距。文献[10]针对节点密度较大情况，在簇头竞争阶段采用计时广播代替协商机制，减小了系统开销。文献[11]提出了DCHEB（Double Cluster Head Energy Balance算法使得簇头节点位于合适的位置上，平均了各个簇的节点个数，可以避免簇内的边缘节点过早耗尽能量。
　　本文在总结研究HEED的基础上提出了一种基于地理位置信息的双簇头多跳路由算法（EnergyEfficient routing algorithm with Location information and Double cluster heads based on HEED， HEEDEELD。该算法主要贡献在于：利用获取所处位置的能力，节点能够确定自身所处网络层级，并能够选择最佳路由方向，避免了过长距离的路由路径损耗。另外，文章提出了双簇头思想，主簇头用来收集簇内节点和来自上一层级副簇头的数据信息，并发送至簇内副簇头，而副簇头则充当中继负责转发至下一层级。这样，原来多跳路由协议中一个簇头的功能分担给两个簇头，进一步平衡了系统能量消耗。
　　1系统模型
　　1.1能量模型
　　本文采用与文献[12]相同的无线通信能耗模型（Radio Energy Depletion Model， REDM。在该模型中，无线通信模块发送数据的能量消耗主要在发送电路和功率放大电路，接收数据的能量消耗主要在接收电路。在保证合理信噪比条件下，节点发送数据能耗为
　　ETx（k，d=Eelec×k+Efs×k×d2，d　　Eelec×k+Eamp×k×d4，d≥d0 （1
　　其中：k为发送的二进制位数；d为发送距离；Eelec（nJ/b为射频能耗系数，Efs（pJ/（b·m2和Eamp（pJ/（b·m4为不同信道传播模型下的功率放大电路能耗系数。在传输距离小于阈值d0时，功率放大损耗采用自由空间模型；当传输距离大于等于阈值d0时，采用多路径衰减模型。

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