EECRP——一种针对三维森林场景中异构无线传感器网络的节能聚类路由协议

《Ad Hoc Networks》：EECRP—Energy-efficient clustering routing protocol for heterogeneous wireless sensor networks in 3D forest scenes

三维森林环境中的能量高效聚类路由协议研究。提出基于改进狼群-蟑螂混合优化算法的三维传播模型，动态选举簇头节点并设计移动sinks节点轨迹优化传输路径，仿真显示在能量效率、数据投递率和节点寿命方面较七种传统协议分别提升4.61%、71.82%和29.50%

　　

作者：闫月涵、张超、秦涛、陈长胜、刘星彦、杨静

贵州大学电气工程学院，中国贵阳550025

摘要

无线传感器网络（WSNs）越来越多地被用于实时监测森林火灾、气候和生物多样性。然而，当在三维森林环境中部署时，为二维场景设计的传统路由协议会遇到严重的信号衰减和能量不平衡问题，从而导致网络寿命缩短。本文针对在三维森林环境中使用传统路由协议可能出现的这些问题，提出了一种适用于三维森林场景的节能聚类路由协议（EECRP）。首先，该协议建立了一个三维森林传播模型，该模型考虑了地形、植被密度和季节性因素。然后，EECRP采用改进的灰狼-蜣螂融合优化算法（DGWO）来选择簇头（CH），以提高簇头选择的合理性及网络能量效率。此外，还引入了一种移动汇聚节点轨迹的优化策略，以应对森林区域的复杂地形和植被障碍。最后，在数据传输过程中，使用改进的蜣螂优化算法（IDBO）来寻找最优路径。仿真结果表明，与七种其他协议相比，EECRP在能量效率、数据包传输量以及节点最早/最晚死亡时间方面分别平均提高了4.61%、71.82%和29.50%。实验验证了该协议的优异性能。

引言

全球森林覆盖率接近世界陆地资源的三分之一。频繁出现的森林相关问题严重挑战了自然资源保护[1]、[2]。近年来，无线传感器网络（WSNs）技术不断发展，其在灾害预警、农业管理和智慧城市中的应用也在不断扩大[3]、[4]、[5]。WSNs能够实时监测火灾、气候和生物多样性等关键信息，有助于森林生态保护和资源管理[6]、[7]。然而，当WSNs部署在真实的三维（3D）异构森林环境中时，许多传统路由协议的基本假设不再成立。特别是这些协议通常假设网络为二维平面结构、节点相同且信道条件稳定[8]。因此，为三维森林环境中的异构无线传感器网络（HWSNs）设计高效的路由协议可以提升森林安全性，并显著降低运营和维护成本[9]。

在WSNs路由协议中，簇头（CH）选举和路径传输是影响网络性能和寿命的关键因素。图1展示了聚类路由协议的基本框架。该框架将节点划分为多个簇，从而减少信息传输所需的能量，延长网络寿命[10]，并实现能量的更均衡分配。在聚类路由协议中选择簇头通常是一个NP难问题，我们可以使用元启发式优化算法[11]、[12]来解决这一问题，这些算法可以帮助我们在有限迭代次数内避免局部最优解，快速获得更好的簇头分布并显著降低能耗。

在三维森林环境中的HWSNs中，数据传输面临诸多挑战，包括由于复杂地形导致的信号遮挡、植被引起的信号衰减以及动态环境条件对传输稳定性的影响。这些因素增加了路径传输的复杂性。凭借强大的全局搜索能力和解决复杂问题的能力，群体智能优化算法逐渐成为应对WSNs数据传输挑战的实际工具，能够大幅提高路径选择的效率和可靠性。

同时，在三维森林环境中的HWSNs中，信号传播路径更为复杂，信号损失更大。因此，必须设计异构网络，考虑到不同节点具有不同的初始能量水平[13]、[14]。此外，森林通信条件会随季节变化，进一步增加了设计的复杂性。引入移动汇聚节点是一个实用的解决方案：将它们部署在网络中并动态调整其位置，可以减少由复杂三维地形和季节变化引起的能耗[15]、[16]。

本文提出了一种适用于三维森林场景的节能聚类路由协议（EECRP），该协议引入了基于群体智能的簇头选举和数据传输机制，并部署了移动汇聚节点来优化传输路径。同时考虑了季节对数据传输和通信的影响。具体贡献如下：

1. 对三维森林环境中的地形、植被和森林类型进行了模拟，并引入了季节性机制。

2. 通过结合灰狼优化算法和蜣螂算法，设计了一种改进的簇头选择机制（DGWO）。

3. 在数据传输阶段，采用改进的蜣螂优化算法（IDBO）来优化路径。

4. 设计了一种沿螺旋轨迹移动的汇聚节点，以避免信号在树冠层中的衰减。

本文的其余部分安排如下：第2节介绍相关工作；第3节介绍系统模型，包括地理模型、能量消耗模型和通信模型；第4节讨论所提出的路由协议的设计，包括基于DGWO的动态簇头选举机制、基于IDBO的多跳路径传输策略以及移动汇聚节点；第5节评估所提出的优化方案；第6节总结本文的工作并得出结论。

相关研究

相关工作

WSNs路由协议的设计始终旨在提高能量效率和延长网络寿命。本节从四个方面回顾了现有研究：节能路由协议、簇头选举机制、移动汇聚节点策略和数据传输方法。为了解决WSNs的能耗问题，Heinzelman等人提出了低能耗自适应聚类层次结构（LEACH）协议[17]，该协议首次将聚类概念引入路由协议。

系统模型

本文以云贵高原为例，为三维森林环境中的HWSNs设计了一种节能聚类路由协议，建立了一个包含地理模型和能量消耗通信模型的独特系统模型。

针对森林场景的路由协议设计

云贵高原复杂的地理环境导致WSNs的数据传输面临严重的信号衰减和路径损耗问题。为了解决这一问题，本文提出了一种适用于三维异构森林场景的节能聚类路由协议。该协议结合了基于DGWO的动态簇头选举机制、移动汇聚节点和基于IDBO的多跳路径传输，形成了完整的WSNs路由解决方案。

仿真实验与性能分析

为了全面评估所提出的EECRP的性能，本文将通过与LEACH、SEP、DEEC、HCR、EDEEC以及基于PSO和GWO的簇头优化协议进行比较，展示其在不同森林密度和季节条件下的适应性和鲁棒性，为森林生态保护和资源管理提供坚实的理论支持和实践指导。

结论

所提出的EECRP通过建立综合考虑地形、植被密度和季节性因素的三维森林传播模型，并结合DGWO、移动汇聚节点轨迹优化和IDBO，显著提高了网络能量利用效率和数据传输成功率。仿真结果表明，EECRP在能量效率、数据包传输等关键性能指标上优于其他七种协议。

作者贡献声明

闫月涵：撰写——原始草稿。

张超：撰写——原始草稿。

秦涛：撰写——审阅与编辑。

陈长胜：撰写——审阅与编辑。

刘星彦：撰写——审阅与编辑。 杨静：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。