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基于能量均衡的无线传感器网络组播路由协议
摘要
无线传感器网络（WSN）在许多领域中具有广泛的应用，如环境监控，农业，医疗保健等。由于传感器节点的能量受限，因此如何从网络层面优化能量消耗是WSN研究的一个重要问题。组播路由协议是传感器网络中的基本协议，它可以将数据传输到多个节点，提高网络利用率。本文提出了一种基于能量均衡的无线传感器网络组播路由协议。该协议通过节点能量均衡和路由路径优化的方法，有效地延长了网络寿命和提高了网络性能。通过模拟实验，验证了该协议的有效性和可行性。
关键词：无线传感器网络；组播路由协议；能量均衡；节点寿命；网络性能。
引言
无线传感器网络是由许多具有感知和通信功能的小型节点组成的网络。这些节点可以收集环境信息，并将信息传输到更高层次的节点或基站。由于节点通常布置在较为严格的环境中，因此传感器节点的能量消耗是一个重要的问题。同时，传感器节点数量通常非常大，因此节点能量的均衡也是一个重要的问题。
组播路由协议是WSN中的基本协议，它可以将数据传输到多个节点，提高网络利用率。但是，传统的组播路由协议存在一些问题，如节点能量不平衡和路由路径缺乏优化，这些问题将导致节点寿命较短和网络性能降低。因此，需要一种能够克服这些问题的组播路由协议。
本文提出了一种基于能量均衡的无线传感器网络组播路由协议。该协议主要通过节点能量均衡和路由路径优化的方法，来提高网络性能和延长节点寿命。在该协议中，节点将根据当前能量状况和节点负载来选择最佳的组播节点。同时，在路由路径选择方面，该协议考虑了节点能量和路径长度，并使用了一种动态优化路径选择的方法。通过模拟实验，证实了该协议的有效性和可行性。
1.相关研究
在之前的研究中，许多组播路由协议已经被提出并应用于WSN中。例如，LEACH组播协议[1]和PDMR组播协议[2]等。虽然这些协议在一定程度上优化了无线传感器网络的性能，但它们没有考虑节点能量均衡，导致节点寿命不均衡。同时，这些协议也没有考虑路由路径的优化，这将导致网络资源被浪费。
为了解决这些问题，一些研究者提出了基于能量均衡和路径优化的路由协议。例如，EB-HCA［3］协议，该协议通过能量分级和各级节点的选择来实现节点能量均衡，并使用了遗传算法来优化路由路径。同时，DIOWI［4］协议将移动支持节点引入到路由选择中，从而更好地优化了路由路径。虽然这些协议在一定程度上提高了网络性能，但它们都没有考虑节点的负载和能量消耗，并且由于路由路径固定，网络的适应性并不高。
2.系统模型
本文中，假设无线传感器网络包括N个节点，其中节点分布在一个范围为h的正方形区域内。其中，每个节点都有一个移动支持节点作为传感器节点和数据的中继节点。同时，每个节点工作在相同的发射功率和接收功率下。
在该网络中，选择一个合适的组播节点是路由协议的主要任务。假设每个节点上的能量为Ei，且该节点需要消耗能量ei来工作。因此，为了控制其能量消耗，每个节点都有一个最小能量要求Emin，以保持节点的正常工作。
3.路由协议设计
在本文中，提出了一种基于能量均衡的无线传感器网络组播路由协议。该协议包括两个主要步骤：组播节点的选择和路由路径的选择。
3.1组播节点选择
在该协议中，组播节点的选择依赖于节点的能量、负载和最小能量阈值。在每个时间步骤中，节点计算其可用能量Ei和其负载贡献ei，并将其与其他可用节点进行比较。在计算可用节点的能量之前，首先对所有节点进行能量平衡[5]。具体来说，计算每个节点的能量等级Eleveli，并使具有相同Eleveli的节点均匀分布在整个网络中。然后，在计算可用节点能量时，只考虑具有相同能量水平的节点。
在计算可用节点的能量和负载之后，节点将选择最佳的组播节点。组播节点的选择是基于以下几个因素：节点能量，节点负载，网络样本的大小，最小能量要求。
节点的能量是一个重要因素。如果节点能量不足，则该节点将无法工作，并且将无法成为组播节点。因此，节点必须具有足够的能量来成为组播节点。同时，节点的负载也是一个重要的因素。如果节点负载太大，则节点将无法进行数据传输，并且也不能成为组播节点。因此，在选择组播节点时，节点的负载也必须被考虑。
网络样本的大小也是选择组播节点的一个重要考虑因素。在样本数量较小的情况下，节点需要传输的数据量将较少，因此组播节点小的能量和负载也可以接受。但是，如果样本数量较大，则需要选择一些具有较高能量的节点来成为组播节点。
最后，每个节点都有一个最小能量要求Emin。在选择组播节点时，需要确保组播节点的能量大于最小能量要求。
3.2路由路径选择
在组播节点选择后，需要建立组播路径以将数据传输到目标节点。在该协议中，路由路径选择依赖于节点的能量和网络距离。
当节点选择组播节点时，需要确定路由路径。假设组播节点i是目标节点j的父节