無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

摘要：對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的LEACH路由算法作了分析，提出了一種改進(jìn)型算法。通過仿真，改進(jìn)后的LEACH算法提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的能效，延長了系統(tǒng)的工作壽命。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；路由協(xié)議；LEACH

0 引言
    傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由覆蓋一個地區(qū)的若干傳感器節(jié)點組成。每個傳感器節(jié)點獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及處理，并將得到的數(shù)據(jù)通過無線連接傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由協(xié)議設(shè)計是很具挑戰(zhàn)性的。首先，節(jié)點沒有全球唯一的標(biāo)識符，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議無法應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中；第二，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都是源節(jié)點，向唯一的目的節(jié)點Sink發(fā)送數(shù)據(jù)；第三，由于在被測對象內(nèi)部或附近部署了大量的節(jié)點，它們采集到的數(shù)據(jù)是相同或相近的。這就需要路由協(xié)議具有數(shù)據(jù)融合力，以節(jié)約電能，提高帶寬利用率；第四，節(jié)點具備處理能力。節(jié)點的電能存儲能力是很有限的，需要強(qiáng)大的資源管理和任務(wù)調(diào)度能力。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)截然不同的。

1 LEACH協(xié)議
    簇的建立和簇頭特定任務(wù)的分配對于整個系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、壽命和能量效率起著非常大的作用。聚類路由是降低簇中能量消耗的一種有效方式。LEACH(Low-Energy Adaptive Cluster-based Hierarchy)算法是最早的比較成熟的聚類路由算法。
    LEACH協(xié)議的隨機(jī)簇頭選擇分布不均勻，而且LEACH協(xié)議是根據(jù)節(jié)點曾經(jīng)擔(dān)當(dāng)簇頭的次數(shù)來決定是否擔(dān)任簇頭而沒有考慮節(jié)點的剩余能量；同時，LEACH網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在節(jié)點數(shù)量大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用時會采集大量的冗余數(shù)據(jù)，這樣會使網(wǎng)絡(luò)由于處理大量的冗余數(shù)據(jù)而使網(wǎng)絡(luò)能耗大大增加，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
    LEACH-C(LEACH-centralized)是集中式的簇頭產(chǎn)生算法，由基站負(fù)責(zé)挑選簇頭。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用節(jié)點數(shù)量大，節(jié)點覆蓋密度也大，這樣無法避免地使單個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)與整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)有很大的關(guān)聯(lián)性。而用戶需要的，并不是所有的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)(包含冗余數(shù)據(jù))，而只是對發(fā)生事件的描述——利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集分析出的被觀測區(qū)域正在發(fā)生的事件狀況。

2 LEACH協(xié)議的改進(jìn)
    可以對LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，在成簇階段(setupstate)之前，插入一個以節(jié)點能量為判斷標(biāo)準(zhǔn)的篩選過程，將節(jié)點的剩余能量與網(wǎng)絡(luò)的平均能量相比較，一旦判斷出本節(jié)點的能量大大的低于網(wǎng)絡(luò)的平均能量，宣布節(jié)點在接下來的循環(huán)進(jìn)入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點，并再次進(jìn)行篩選。同時，對成簇階段的非簇內(nèi)節(jié)點，在接下來的循環(huán)中使其進(jìn)入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點。
    能耗設(shè)置方面，作了如下設(shè)置：發(fā)送節(jié)點的能耗包括啟動收發(fā)機(jī)能耗和放大信號能耗；接受節(jié)點的能耗設(shè)置為啟動收發(fā)機(jī)能耗。如圖1所示。

    從圖1可以看出：每處理k個bit的信息，需要消耗的能量為Eelec*k，而信號放大能量需要由信號傳播的距離決定，εamp為放大系數(shù)。我們可以把距離分作兩種：信號在簇內(nèi)部傳輸時，我們視其為自由空間傳輸，此時信號收發(fā)機(jī)的能耗為：為簇間傳輸距離。
    在能量篩選算法中，我們指定了一個能量門限(pthresh_)判斷節(jié)點能量在網(wǎng)絡(luò)中的地位：
   
    其中Etotal是網(wǎng)絡(luò)總能量；N代表網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點的總數(shù)；Ei是本節(jié)點的能量。
    pthresh_的表達(dá)式能夠?qū)⒈竟?jié)點的能量在網(wǎng)絡(luò)中的地位清晰地表示出來。當(dāng)能量門限取1時，意味著本節(jié)點能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的平均能量。此時我們就可以設(shè)置節(jié)電關(guān)閉其無線收發(fā)機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等到下個循環(huán)再重新開啟，重復(fù)能量判斷過程；當(dāng)門限值取Etotal／N* Ei時，就依照門限大小決定節(jié)點休眠的概率：我們假設(shè)根據(jù)改進(jìn)方法中能量判決門限所篩選出的節(jié)點就是最近周期內(nèi)剛剛擔(dān)任過CH的節(jié)點。進(jìn)而令其在接下來的循環(huán)中進(jìn)入休眠，直至新的簇首節(jié)點競爭周期到來。因為剛在最近周期擔(dān)任過CH的節(jié)點，在能耗上的確大于其他節(jié)點，其所剩的能量在網(wǎng)絡(luò)中必然處于較低的水平。所以在仿真中我們檢測節(jié)點的hasbeench_變量狀態(tài)，使每個節(jié)點在發(fā)送信息之前都先判斷一下該變量狀態(tài)(hasbcench_標(biāo)志著本節(jié)點在上一個循環(huán)是否為CH節(jié)點)，如果hasbeench_為1，表示上個循環(huán)中此節(jié)點擔(dān)任過CH，則令其在本輪循環(huán)中進(jìn)入休眠；否則，就產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)P與pthresh_做比較，一旦P小于門限pthresh_，則關(guān)閉節(jié)點，令其休眠；否則繼續(xù)執(zhí)行發(fā)送函數(shù)中的其他指令，向sink節(jié)點發(fā)送信息。同時，對成簇階段的非簇內(nèi)節(jié)點，在接下來的循環(huán)中使其進(jìn)入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點。

3 仿真設(shè)計
    改進(jìn)型LEACH的每輪循環(huán)分為節(jié)點能量篩選階段、簇形成階段和穩(wěn)定工作階段三個部分：
    (1)每輪循環(huán)開始時，首先進(jìn)行節(jié)點能量篩選，將低能節(jié)點、非簇內(nèi)節(jié)點以及在上輪循環(huán)中擔(dān)當(dāng)簇頭的節(jié)點令其進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點；
    (2)簇形成階段由decideClusterHead、advertiseClusterHead、findBestCluster、informClusterHead、createSchedule幾個函數(shù)組成，在經(jīng)過該階段后，簇頭節(jié)點和相應(yīng)的簇內(nèi)節(jié)點得以選出和形成，同時簇頭節(jié)點將根據(jù)本地信息給簇內(nèi)節(jié)點分配TDMA時隙，并廣播給簇內(nèi)所有節(jié)點；
    (3)在穩(wěn)定工作階段，簇內(nèi)各個節(jié)點根據(jù)分配的TDMA時隙將感知的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)聚合后發(fā)給基站。經(jīng)過一輪數(shù)據(jù)采集和收集工作后，為了均衡節(jié)點能量，將進(jìn)行新一輪的節(jié)點能量篩選和簇頭選擇。通常，穩(wěn)定工作階段時間都比前兩階段長。

4 仿真結(jié)果
4．1 網(wǎng)絡(luò)生存周期
    由圖2分析可知，LEACH協(xié)議的第一節(jié)點死亡時間為410 s，整個網(wǎng)絡(luò)失效時間為527 s；LEACH-C協(xié)議的第一節(jié)點死亡時間為380 s，整個網(wǎng)絡(luò)失效時間為571 s；改進(jìn)型協(xié)議的第一節(jié)點死亡時間為280 s，整個網(wǎng)絡(luò)失效時間為603 s。改進(jìn)型協(xié)議第一節(jié)點死亡時間最早，其主要原因是每輪簇形成之前，每個節(jié)點都需要計算自身能量在整個網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)，即進(jìn)行能量篩選，故能耗要稍大些。但是改進(jìn)型協(xié)議考慮了節(jié)點剩余能量在整個網(wǎng)絡(luò)中的水平，不允許低于整個網(wǎng)絡(luò)平均能量的節(jié)點擔(dān)任簇頭，并將一些低能的數(shù)據(jù)冗余節(jié)點令其進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣節(jié)省了節(jié)點能耗，使網(wǎng)絡(luò)生存周期較LEACH協(xié)議延長了14．4％，較LEACH-C協(xié)議延長了5．9％。因此，改進(jìn)型協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存能力要優(yōu)于LEACH協(xié)議。

4．2 平均能量消耗
    由圖3分析可知，改進(jìn)型協(xié)議不僅將整個網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的能耗進(jìn)行了平均，而且讓網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點輪換休息，對節(jié)點數(shù)量較大、節(jié)點覆蓋密度大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，節(jié)約了節(jié)點的能耗，在一定程度上延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

5 結(jié)束語
    目前，WSN技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟和實用，其路由協(xié)議研究也成為一個熱點。經(jīng)典的LEACH具有一定的局限性，通過對LEACH的改進(jìn)，進(jìn)行仿真。通過仿真，LEACH的改進(jìn)，比原LEACH協(xié)議具有更好的網(wǎng)絡(luò)生存周期，節(jié)約了節(jié)點能耗。