劉靜 李暉

【摘要】 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）協(xié)議研究中，降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期是路由協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)LEACH協(xié)議的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和影響因素，提出了一種改進(jìn) LEACH協(xié)議。它首先考慮節(jié)點(diǎn)自身剩余能量進(jìn)行選舉簇頭，然后從每個(gè)簇中選舉出能量剩余最多，位置離基站最近的節(jié)點(diǎn)作為候補(bǔ)簇頭，在簇頭能量不足5%時(shí)，擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給基站的任務(wù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法比原來(lái)的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間延長(zhǎng)了近70%。

【關(guān)鍵詞】 路由協(xié)議 簇頭閾值 候補(bǔ)簇頭

引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）由成千上萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)采集監(jiān)測(cè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、傳輸、交換等功能[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性受帶寬、傳輸延時(shí)、能量等因素影響，因此在進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)鍵技術(shù)是要考慮降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

一、LEACH 協(xié)議算法

在目前的路由協(xié)議中，LEACH[2]（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchical ）協(xié)議是由MIT的Heinzelman 提出的一種經(jīng)典的分層路由協(xié)議，其將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為幾個(gè)大小均勻的簇，簇內(nèi)由簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)組成，普通節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)融合后轉(zhuǎn)發(fā)給Sink，而不是節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)傳遞給Sink，這樣就提高了能量利用效率。因?yàn)榇仡^能量消耗較大，而節(jié)點(diǎn)輪流成為簇頭節(jié)點(diǎn)，這就使得能量消耗能夠均衡地分?jǐn)偟胶芏喙?jié)點(diǎn)。

1.1 簇的組成

LEACH運(yùn)行過(guò)程中可以用輪的概念來(lái)描述。每個(gè)輪可以分成兩個(gè)階段： 簇的建立和數(shù)據(jù)傳輸。在簇的建立階段，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)概率模型選舉出簇頭。每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0到1 之間的隨機(jī)數(shù)[2]。假如這個(gè)隨機(jī)數(shù)小于閾值T （n ），該節(jié)點(diǎn)被選舉為簇頭。閾值的計(jì)算公式如下：

式中，r 是輪數(shù)，p 是簇頭數(shù)量比例，G 是在前r mod（1 / p） 輪沒(méi)有當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。節(jié)點(diǎn)被選為簇頭后，就向外廣播自己成為簇頭節(jié)點(diǎn)的消息，成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的廣播信息信號(hào)的強(qiáng)弱選擇加入到相應(yīng)的簇，并向簇頭發(fā)送加入簇的請(qǐng)求，如下圖1。簇頭收到請(qǐng)求后，將成員節(jié)點(diǎn)的信息加入自己的路由表中，并為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)TDMA分配時(shí)間表[3]。

1.2 穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信

簇建立好后，節(jié)點(diǎn)根據(jù)TDMA機(jī)制分配的時(shí)間間隙進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[3]。節(jié)點(diǎn)在自己的TDMA 時(shí)間間隙時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行融合處理發(fā)送給sink。數(shù)據(jù)穩(wěn)定通信一段時(shí)間后，重新開始組簇，進(jìn)入到下一輪工作，一直循環(huán)，直到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量完全消耗掉。

二、LEACH的局限性

盡管LEACH能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)節(jié)能和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，但它還是有如下的問(wèn)題：

I 選擇簇頭時(shí)沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量。LEACH 協(xié)議選舉簇頭時(shí)的隨機(jī)性可能使剩余能量低的節(jié)點(diǎn)成為簇頭，盲簇節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過(guò)早死亡[4]， 網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡程度下降。

II 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大的時(shí)候，簇頭節(jié)點(diǎn)給基站傳輸數(shù)據(jù)會(huì)很快的消耗大量能量，LEACH協(xié)議比較適合部署區(qū)域較小的網(wǎng)絡(luò)[5]。

三、LEACH 協(xié)議的改進(jìn)

3.1 簇頭選擇改進(jìn)

在簇頭選擇階段，節(jié)點(diǎn)的剩余能量是動(dòng)態(tài)變化的，所以傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)向sink發(fā)送自己的能量剩余情況， 若節(jié)點(diǎn)剩余能量低于平均能量， 則降低其成為簇頭的概率。因此將閾值改進(jìn)成了下式

N 為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，M 為節(jié)點(diǎn)分布區(qū)邊長(zhǎng)，dtoBS為節(jié)點(diǎn)到sink 的距離。然后基于節(jié)點(diǎn)剩余能量和距離基站位置，每個(gè)簇中選舉出一個(gè)候補(bǔ)簇頭。

3.2 對(duì)協(xié)議流程改進(jìn)

在LEACH協(xié)議中，簇頭負(fù)責(zé)把收集數(shù)據(jù)包并傳輸給基站，這就相應(yīng)的增加了節(jié)點(diǎn)能量的消耗，特別是在大型網(wǎng)絡(luò)中更為嚴(yán)重。為了解決這一問(wèn)題，提出一種改進(jìn)路由算法。在簇頭能量將要耗盡的時(shí)候，候補(bǔ)簇頭來(lái)?yè)?dān)當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給基站的任務(wù)。

改進(jìn)的LEACH協(xié)議工作分為3個(gè)階段：

I選擇簇頭和候補(bǔ)簇頭II簇頭建立III數(shù)據(jù)傳輸。

I選擇簇頭和候補(bǔ)簇頭階段。簇頭按照LEACH協(xié)議的方式選舉，剩余能量最多和離基站最近的非簇頭節(jié)點(diǎn)被選為候補(bǔ)簇頭。

II簇頭建立階段。選舉出簇頭之后，每個(gè)簇頭向成員節(jié)點(diǎn)廣播通知信息，成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己所收到信息的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)選擇加入哪個(gè)簇，然后成員節(jié)點(diǎn)用自己的ID傳輸一條確認(rèn)信息給它想加入的簇頭，簇頭把加入自己簇的成員節(jié)點(diǎn)信息記錄下來(lái)。

候補(bǔ)簇頭建立方式與此非常相似。在簇頭剩余能量不足5%時(shí)，候補(bǔ)簇頭向成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收數(shù)據(jù)包的消息，簇頭將成員節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送給候補(bǔ)簇頭，進(jìn)行任務(wù)交接。候補(bǔ)簇頭同樣采用CDMA機(jī)制分配成員數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙，并將信息發(fā)給成員節(jié)點(diǎn)。

III數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸階段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照設(shè)定的TDMA 時(shí)隙把收集到的信息發(fā)送給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后轉(zhuǎn)發(fā)sink。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)能量不足5%時(shí)，候補(bǔ)簇頭擔(dān)任轉(zhuǎn)達(dá)數(shù)據(jù)包的責(zé)任，這樣能提高能量利用效率。

四、仿真結(jié)果及分析

本文在MATLAB 的環(huán)境中對(duì)改進(jìn)路由協(xié)議進(jìn)行了仿真。網(wǎng)絡(luò)模型如下：

100 個(gè)初始能量為0.5J 的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的分布在100×100 m 的正方形區(qū)域內(nèi)。假定它們按照定時(shí)發(fā)送的機(jī)制發(fā)送收集的數(shù)據(jù)并且不會(huì)自己移動(dòng)?；驹冢▁=50，y=50）的位置。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量為0J 時(shí)，則認(rèn)為其死亡。

考慮到簇頭既要融合簇內(nèi)數(shù)據(jù)又要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而導(dǎo)致能量消耗太快，利用候補(bǔ)簇頭分擔(dān)簇頭的任務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗均衡，以此達(dá)到提高每輪簇穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信時(shí)間，進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。使用matlab對(duì)改進(jìn)后的LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真，結(jié)果表明改進(jìn)的LEACH 延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間近70%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄧亞平，鄧?yán)?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效加權(quán)分簇算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011（4） ： 1216-1219.

[2] Heinzelman W B，et al.An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Trans on wireless Commumications，2002，1（4）：660-670.

[3] BAI F，WANG L，MA Y，et al.Algorithm analysis of routing protocols-LEACH for wireless sensor networks [J].Journal of Taiyuan University of Technology，2009，40（ 4） ： 248 - 252.

[4] 胡鋼，謝冬梅，吳元忠.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議LEACH 的研究與改進(jìn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2007， 20（6）： 1391-1396.

[5]Mahmoud M.salim，Hussein A.Elsayed，Salwa H.El Ramly . PR-LEACH：Approach for Balanceing Energy Dissipation of LEACH Protocol for Wireless Sensor Networks.31st National Radio Science Conference（NRSC2014）.