基于礦井中LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能改進算法

牟寧芳

（中國礦業(yè)大學〈北京〉機電與信息工程學院，中國 北京 100083）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集、融合、處理及通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)。它綜合了微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進技術(shù)，以數(shù)據(jù)為中心，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知、采集、融合和處理各種環(huán)境參數(shù)，然后通過無線通信把信息發(fā)送到基站，然后再傳給用戶。它的這些優(yōu)勢在我國的煤礦工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心部分，它的電源采用的是電池供電。由于工作環(huán)境惡劣，電源是不能充電、不可更換的。因此，如何高效節(jié)能就顯得特別重要。

目前，國內(nèi)對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的研究基本上可以分為基于MAC協(xié)議節(jié)能策略、基于路由協(xié)議節(jié)能策略和基于網(wǎng)絡(luò)拓撲控制節(jié)能策略三大類。

1 LEACH協(xié)議分析

國內(nèi)外研究人員對路由協(xié)議的研究主要分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議兩大類。LEACH （Low－Energy Adaptive Clustering Hierachy）是第一個在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出的層次路由協(xié)議，它是層次路由協(xié)議分析的典型代表。該協(xié)議首先提出了“輪”的概念，每一輪包含簇的建立和穩(wěn)定運行兩個階段。在簇的建立階段，每個節(jié)點分別隨機產(chǎn)生一個0-1之間的數(shù)，若該數(shù)小于某一閾值，則此節(jié)點成為簇首并及時向周圍廣播其當選消息，其它節(jié)點根據(jù)收到信號的強弱選擇要加入的簇，并通知所選簇首；在穩(wěn)定運行階段，簇內(nèi)節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)直接傳送給簇首，簇首對收集到的數(shù)據(jù)進行融合處理，然后通過一跳通信發(fā)送給基站。

由上可見，LEACH協(xié)議具有以下優(yōu)點：運用分簇式路由協(xié)議減少了數(shù)據(jù)量的發(fā)送；減少了參與路由計算的節(jié)點數(shù)目；簇首節(jié)點周期輪選等。盡管LEACH具備以上優(yōu)點，但也存在一些問題：

1）簇首選擇具有隨機性。簇首與簇首之間相距過遠或過近，都增加了節(jié)點的傳輸消耗；

2）LEACH協(xié)議要求簇首與基站一跳通信。一跳通信就使得距離基站較遠的簇首加大了能量消耗；

3）簇內(nèi)簇首管理的節(jié)點數(shù)目不同。節(jié)點數(shù)目不同，簇首的死亡時間就不同，這樣就使得網(wǎng)絡(luò)的平衡程度下降。

2 節(jié)能改進算法

2.1 設(shè)計思想

由于LEACH協(xié)議在簇首輪換中要消耗較高的能量，因此，本文在簇內(nèi)簇首輪換上提出了一種新方法。其基本思想是：把簇劃分好后，簇內(nèi)節(jié)點分為簇首節(jié)點和普通節(jié)點兩類。計算出各簇的最優(yōu)簇首數(shù)K（由文獻[6]知：在WSN中傳感器節(jié)點總數(shù)為100個情況下，4-6個簇首數(shù)為最優(yōu)取值范圍），在簇內(nèi)人為放入2K-3K簇首節(jié)點，當簇首剩余能量達到設(shè)定閾值時，當前簇首節(jié)點輪為休眠的普通節(jié)點，休眠的簇首節(jié)點被激活充當新的簇首。這樣就減少了普通節(jié)點通過競爭選舉新簇首所消耗的能量，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。簇首輪換示意圖和流程圖如下：

圖1 新簇首輪換示意圖

圖2 新簇首輪換流程圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型和相關(guān)定義

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文所有研究以如下網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)：

1）整個區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點都是固定的，所有節(jié)點地位都是平等的且通信能力相同。

2）簇內(nèi)普通節(jié)點與簇首以單跳進行通信，距離基站（BS）遠的簇首以多跳進行通信。

3）所有節(jié)點只考慮發(fā)送和接收消耗的能量。

4）簇首節(jié)點放入?yún)^(qū)域內(nèi)時要標記Xcd。

2.2.2 相關(guān)定義

Ei：簇首節(jié)點當前剩余能量值；

E1：網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定的剩余能量閾值；

Xcd：簇首節(jié)點編號；

K：最優(yōu)簇首數(shù)。

2.3 理論分析

由上圖1和圖2對LEACH算法簇首輪換和新算法簇首輪換進行理論分析。

定義變量如下：

ELEACH：LEACH算法簇首輪換能耗；

E：新算法簇首輪換能耗；

E簇首：輪換時簇首產(chǎn)生能耗；

E普節(jié)：輪換時普通節(jié)點產(chǎn)生能耗；

E隨機：隨機產(chǎn)生簇首時能耗；

E激活：休眠簇首被激活時產(chǎn)生能耗；

ETx：發(fā)送數(shù)據(jù)能耗；

ERx：接收數(shù)據(jù)能耗；

E廣播：簇首廣播信息產(chǎn)生能耗。(隨著時間的增加，整個網(wǎng)絡(luò)剩余能量也是越來越少，因此，E廣播是一個隨時間變化的函數(shù)。)

分析過程如下：

LEACH算法簇首輪換時，簇首廣播輪換開始，普通節(jié)點接收到簇首廣播后，隨機選取簇首，此節(jié)點成為簇首并廣播其當選消息，普通節(jié)點根據(jù)收到信號的強弱選擇要加入的簇，并通知所選簇首。具體能量消耗式如下：

ELEACH=E簇首+E普節(jié) （1）

E簇首=E隨機+ETx+ERx+E廣播 （2）

E 普節(jié)=ETx+ERx （3）

新算法簇首輪換時，當簇首剩余能量達到設(shè)定閾值，其簇內(nèi)休眠的簇首被激活充當新簇首，并向簇內(nèi)普通節(jié)點廣播當選消息。具體能量消耗式如下：

E=E簇首+E普節(jié)（4）

E簇首=E廣播+E激活 （5）

E 普節(jié)=ETx+ERx （6）

從式（2）和式（5）可知ELEACH>E。所以本文提出的新算法延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3 仿真實驗分析

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文利用matlab作為仿真工具，假設(shè)了一下場景：網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點共300個，均勻分布在100m×100m的被測區(qū)域內(nèi)。所有節(jié)點都是固定的。可用參數(shù)分布如表1。

參數(shù)設(shè)置完成后進行仿真。仿真圖如圖3所示：

圖3

由上圖可知，在 t=400s時，E=600J，ELEACH=670J，由具體的數(shù)字可看出，新算法確實是節(jié)約了能量，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的使用周期。

4 結(jié)束語

本文分析了典型的LEACH算法，并在其基礎(chǔ)上對簇首的選擇進行了一些改進，從而實現(xiàn)了節(jié)能效果。通過理論分析和仿真實驗分析驗證了新算法在延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期中要優(yōu)于LEACH算法。

[1]郭海生，李龍江.一種基于冗余度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略[J].現(xiàn)代電信科技，2011，4.

[2]羅玥.基于LEACH的WSN路由協(xié)議研究[D].南京郵電大學，2008，3.

[3]馬玉剛，周群彪.基于LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法[J].計算機應(yīng)用，2009，6.

[4]邢飛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇路由算法研究與設(shè)計[D].國防科學技術(shù)大學，2010，3.

[5]葛允，段中興，雷潔.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇路由協(xié)議改進[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（9）.

[6]蔣陽，孫柳林，敖文鈞，袁敏.WSN中LEACH路由協(xié)議簇首數(shù)優(yōu)化研究[J].計算機應(yīng)用研究，2010，11.

[7]徐保桂.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法研究[D].重慶大學，2011，4.

[8]鄭慶超.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分簇算法研究[D].燕山大學，2011，3.

[9]楊潤標，馮立波，趙辰龍.WSN中基于位置和能量的LEACH協(xié)議改進[J].電腦知識與技術(shù)，2012，5.

[10]謝海亭.基于剩余能量的LEACH算法優(yōu)化的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2011,9.