WSN的一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議

摘要：通過對LEACH—C等協(xié)議的研究及改進(jìn)，提出一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH—EE。在LEACH—EE協(xié)議中，基站根據(jù)接收到的各個簇的數(shù)據(jù)量來估算每個簇內(nèi)節(jié)點的能量消耗情況，并根據(jù)估算結(jié)果來重新確定下一輪的簇首和簇結(jié)構(gòu)。只有在一定條件發(fā)生時，或者間隔相當(dāng)長的時間，才需要傳感器節(jié)點向基站匯報自己的能量等信息。仿真結(jié)果表明，與LEACH、LEACH—C協(xié)議相比，LEACH—EE協(xié)議更能節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；LEACH—C；LEACH—EE

引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量、存儲空間、計算能力等的限制，使得傳統(tǒng)的無線路由協(xié)議不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，設(shè)計能夠有效節(jié)約能量、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的路由協(xié)議，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說意義重大。分簇路由協(xié)議在這方面具有很好的性能。
    LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中第一個基于分簇的路由協(xié)議，通過周期性地隨機選舉簇首來保證節(jié)點有相等的機會成為簇首，均衡節(jié)點能量的消耗，從而達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。其成簇思想貫穿于其后提出的很多分簇路由協(xié)議中，如TEEN(Threshold—sensitive Energy Efficient sensor Network protoc01)、PEGASIS(Power Efficient GAthering in Sensor Information System)等。LEACH-C(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy—Centralized)是LEACH協(xié)議的一個特定版本，是一種集中式的簇首產(chǎn)生算法。在LEACH—C中，當(dāng)每輪開始時，每個節(jié)點將自身地理位置和剩余能量等信息報告給基站，基站根據(jù)這些全局信息挑選簇首，能夠確保簇首的數(shù)量和位置最優(yōu)，性能比LEACH協(xié)議有了顯著提高。但是，這種算法由于每次都與基站進(jìn)行交互，增加了不少的能量消耗。
    針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LEACH—C協(xié)議存在的不足，本文在對LEACH—C協(xié)議研究的基礎(chǔ)上提出一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH—EE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy—Energy Estimate)。該協(xié)議通過對能量消耗進(jìn)行估算，減少傳感器節(jié)點與基站的通信量，從而節(jié)約整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及無線通信能耗模型
1．1 網(wǎng)絡(luò)模型
    本文假設(shè)n個傳感器節(jié)點隨機分布在區(qū)域A內(nèi)，并且該傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特性：
    ①網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，所有節(jié)點都是靜止不動的，節(jié)點能夠獲知其位置信息。
    ②網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，所有節(jié)點都可以直接與基站通信?；疚ㄒ磺椅恢霉潭?。
    ③普通節(jié)點能量有限，且具有相同的計算、通信能力和初始能量，而基站的能量和計算能力沒有限制。
    ④傳感器網(wǎng)絡(luò)是主動型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)持續(xù)監(jiān)測周圍環(huán)境現(xiàn)象并以恒定速率發(fā)送數(shù)據(jù)。
    ⑤傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)融合比例系數(shù)為β，即ktrans=krec／β，其中krec、ktran分別表示傳感器節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包長度和融合后形成的數(shù)據(jù)包長度。
1．2 無線通信能耗模型
    采用與參考文獻(xiàn)相同的無線能耗模型。發(fā)送數(shù)據(jù)時的能量消耗為：
   
    其中，k為發(fā)送數(shù)據(jù)bit值；d為實際通信距離；d0為距離閾值，當(dāng)傳輸距離小于d0時，功率放大損耗采用自由空間模式，否則采用多路徑衰減模式；Eelec表示節(jié)點電路發(fā)送和接收每bit數(shù)據(jù)的耗能；εfx和εamp分別表示放大器在2種衰減模型下的能耗系數(shù)。

2 基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議
    本文提出的基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH—EE的思想如下：
    ①網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，每個節(jié)點將自己的位置和當(dāng)前能量等信息發(fā)送給基站，基站運用類似LEACH—C的思想選擇合適的簇首并進(jìn)行簇的劃分，并給每個簇加上簇標(biāo)識，如c1，c2，c3，…，cn等。最后基站將簇首、簇標(biāo)識、簇結(jié)構(gòu)等信息廣播出去，分簇完成。
    ②接著是一輪數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定階段。在這一階段，傳感器節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給簇首，簇首將數(shù)據(jù)融合后加上簇標(biāo)識，然后把數(shù)據(jù)傳輸給基站，基站統(tǒng)計每個簇發(fā)送過來的數(shù)據(jù)量。當(dāng)一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，基站根據(jù)這輪接收到的每一個簇的數(shù)據(jù)量估算出本輪中這個簇內(nèi)所有節(jié)點的能量剩余情況。具體如下：
    假設(shè)第m(m=1，2，3，…)輪基站接收到簇標(biāo)識為ci的簇的數(shù)據(jù)量為k bit，那么該簇內(nèi)節(jié)點的能量剩余情況估算分兩種情況：
    a)簇首的能量剩余。簇首的能量消耗包括以下三部分：接收簇成員節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)的能耗、融合數(shù)據(jù)需要的能耗和將融合后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站的能耗。因此簇首的能耗為：

    b)簇內(nèi)其他成員節(jié)點的能量剩余情況估算。簇內(nèi)其他成員節(jié)點的能量消耗只有發(fā)送數(shù)據(jù)時的能量消耗。由于采用的網(wǎng)絡(luò)模型中各個傳感器節(jié)點以恒定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，所以本文近似認(rèn)為簇內(nèi)每個成員節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)量是均衡的。因此，假設(shè)簇ci內(nèi)有ni個成員節(jié)點，則該輪中每個簇內(nèi)成員節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)量k’近似為k’=k／ni。
    記該簇內(nèi)成員節(jié)點j到簇首的距離為dij(為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，要求dij<d0)，根據(jù)能量消耗公式(1)，則該成員節(jié)點第m輪的數(shù)據(jù)能耗為：
   
    這樣，一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后，基站可以近似估算出所有節(jié)點的剩余能量，并根據(jù)這些估算值重新選擇合適的簇首并進(jìn)行簇的劃分，開始新一輪的工作。
    ③當(dāng)間隔一定的輪數(shù)(相當(dāng)長的一段時間)，或者傳感器節(jié)點的能量低于一定的值，或者有新成員節(jié)點加入時，基站再要求傳感器節(jié)點匯報自己的能量等信息，并根據(jù)接收到的信息重新校正估算的各個節(jié)點的剩余能量，使這些數(shù)值精確，然后再重新進(jìn)行簇首的選擇和簇的劃分。
    比起LEACH—C，LEACH—EE協(xié)議不需要傳感器節(jié)點每輪結(jié)束后向基站匯報自己的位置、能量等信息，節(jié)省了能量開銷。同時，由于間隔一定的時間會對估算值進(jìn)行精度調(diào)整，所以LEACH—EE協(xié)議的性能比較好。

3 仿真及結(jié)果分析
    本文使用Matlab對LEACH—EE協(xié)議進(jìn)行仿真，并和LEACH、LEACH—C協(xié)議進(jìn)行比較。仿真場景設(shè)置如下：100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)隨機部署50個傳感器節(jié)點，基站位于坐標(biāo)(50，50)處，節(jié)點的初始能量為1 J，數(shù)據(jù)包大小為2000 bit，Eelec=50 nJ／bit，εfx=10 pJ／(bit·m2)，εamp=0．0013 pJ／(bit·m4)，d0=87．7 m，β=1000，數(shù)據(jù)融合的能耗EDA=5 nJ／bit。本文從簇首的分布位置、網(wǎng)絡(luò)總能量消耗、網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點存活數(shù)三方面對比了LEACH、LEACH—C和LEACH—EE協(xié)議，并給出了LEACH—EE協(xié)議中不同時刻能量估算的誤差圖。
(1)簇首分布位置
    圖1顯示了3種分簇路由協(xié)議不同時刻的簇首分布位置。LEACH在100 s時簇首數(shù)目為5，在200 s時簇首數(shù)目為3，由于節(jié)點隨機當(dāng)選簇首造成其個數(shù)和分布不太理想；LEACH—C和EACH—C在100 s時簇首數(shù)目為4，到200 s時簇首數(shù)目仍然為4，避免了分簇數(shù)過大或過小造成的能量消耗，而且從圖1中可以看出，LEACH—EE的簇首分布位置與LEACH—C很接近，在網(wǎng)絡(luò)中一直都很均勻，說明LEACH—EE成簇效果與LEACH—C相當(dāng)。

(2)能量估算誤差
    圖2顯示了LEACH—EE協(xié)議不同時刻能量校正時，計算出的所有節(jié)點的能量估算值和節(jié)點匯報的能量值之間的總誤差。從圖2中可以看出，總的來說，估算的能量誤差并不算大。

(3)網(wǎng)絡(luò)總能量消耗
    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能耗情況如圖3所示，圖中的橫坐標(biāo)是仿真時間，縱坐標(biāo)是50個節(jié)點的總的能量消耗。可以清楚地看到，大部分時間段里，總的能量消耗：LEACH—EE<LEACH—C<LEACH。

(4)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)
    圖4為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)隨時間的變化情況，可以看到，LEACH—EE的節(jié)點存活率要好于LEACH—C和LEACH協(xié)議。這50個傳感器節(jié)點，如果使用LEACH協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，則時間持續(xù)403 s后網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點全部死亡；使用LEACH—C協(xié)議，則時間持續(xù)448 s后所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點全部死亡；而如果采用LEACH—EE協(xié)議，則時間持續(xù)到502 s后網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點才全部死亡。

結(jié)語
    路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容，它的性能直接影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行效率。本文從節(jié)省能量、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的角度，對LEACH—C協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH—EE。通過能量消耗模型，基站根據(jù)接收到的各個簇的數(shù)據(jù)量來估算每個簇內(nèi)節(jié)點的能量消耗情況，并根據(jù)估算結(jié)果重新確定下一輪的簇首和簇結(jié)構(gòu)。只有在一定條件下，或者間隔相當(dāng)長的時間，才需要傳感器節(jié)點向基站匯報自己的能量等信息。仿真結(jié)果表明，與LEACH、EACH—C協(xié)議相比，LEACH—EE協(xié)議能更好地降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。