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基于非均等分区的无线传感器网络路由协议 　　摘 要：针对无线传感器网络（WSN）存在簇头节点分布不合理以及节点负载不均形成的“热点”问题，提出了一种基于非均等分区的非均匀分簇路由协议（UAUC）。UAUC通过非均等分区对网络进行划分，并在每个区域中根据能量因子、距离因子以及密集程度因子选择合适的簇头节点。此外，在簇头节点之间构造一棵负载均衡路径树，解决数据传输时存在的“热点”问题。仿真实验中，与低功耗自适应集簇分层（LEACH）协议，分布式能量有效非均匀成簇（DEBUC）协议以及基于非均匀分簇的无线传感器网络分层路由协议（HRPNC）相比，UAUC协议的簇头节点分布更加合理；UAUC在生存周期上较LEACH协议，DEBUC协议与HRPNC协议分别提高了88%，12%与17.5%；UAUC的节点平均剩余能量高于LEACH协议，DEBUC协议和HRPNC协议，并且节点剩余能量方差小于LEACH协议，DEBUC协议和HRPNC协议；UAUC协议在数据包接收量上较LEACH协议，DEBUC协议和HRPNC协议提高了400%，87.5%与25%。实验结果表明，UAUC能够有效地提高能量效率和数据包接收量，均衡能量消耗，延长网络的生存周期。 　　关键词：无线传感器网络；路由协议；分簇；多跳；能量有效 　　中图分类号：TP393 　　文献标志码：A 　　文章编号：1001-9081（2016）11-3010-06 　　0 引言 　　无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式，监测和收集区域内对象信息的多跳自组织网络系统。随着信息技术的发展，WSN在生物医疗、国防军事、环境检测、抢险救灾、城市管理、智能家居、工农业控制等领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络最突出的特点是传感器节点能量有限且不可再生，所以在无线传感器网络中，降低网络能量消耗、延长网络生存周期是面临的重要挑战[1]。 　　层次路由协议通过分簇在一定程度上延长了无线传感器网路的生存周期。其中低功耗自适应集簇分层（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy， LEACH）[2]协议通过随机选择一小部分节点作为簇头节点并采用周期轮换机制，但由于随机选择簇头节点导致簇头节点分布不合理。此外，在数据传输阶段，簇头节点与汇聚节点直接通信，导致簇头节点的能量消耗过快。吕涛等[3]通过引入簇成员数门限和合并极小簇的方法，避免存在极大簇和极小簇。文献[4]针对LEACH协议频繁地选择簇头节点消耗过多的能量提出了一种基于LEACH的簇头连任协议（cluster head Reappointment protocol based on LEACH， LEACH-R），有效地延长了网络的生存周期。 　　针对均匀分簇存在簇间能耗不均衡的问题，李成法等[5]提出了一个能量高效的非均匀分簇（Energy-Efficient Uneven Clustering， EEUC）算法。EEUC通过使用非均匀的竞争范围来构造大小不等的簇，使得靠近汇聚点的簇的规模小于远离汇聚点的簇，均衡了簇头节点的能量消耗。尚凤军等[6]提出了分布式能量有效非均匀成簇（Distributed Energy Efficient Unequal Clustering， DEEUC）算法，在选择簇头时，加入了平均能量因子平衡全网节点的剩余能量，并通过调节簇头竞争半径调节簇的大小，在一定程序上缓解了能耗不均衡的问题，但离基站比较近的簇头频繁转发其他簇头发送的数据包，因此消耗更多的能量，使得离基站近的簇头容易死亡，产生“热点”问题。蒋畅江等[7]提出了能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由（Distributed Energy-Balanced Unequal Clustering routing， DEBUC）协议。DEBUC在选择簇头时，参考候选簇头的剩余能量和邻居节点的剩余能量，采用基于时间的簇头竞争算法，通过控制候选簇头的竞争范围，使得距离基站较近的簇规模较小。数据传输时，簇头节点根据节点剩余能量、簇内通信代价和簇间通信代价，在邻居簇头中选择中继节点作为下一跳； 但存在离基站较远的簇规模过大，节点能量消耗过多的问题。文献[8]中提出了能量有效的LEACH改进协议（Energy Efficient Extended LEACH， EEE LEACH）。EEE LEACH采取分层的思想，在簇头节点之间选取一些主簇头节点。簇内节点将数据发送给簇头节点，簇头节点将融合后的数据发送给距离最小的主簇头节点，主簇头节点将接收的数据包发送给汇聚节点。但是EEE LEACH存在主簇头节点选择不合理以及主簇