一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度的多跳分簇路由協(xié)議

徐鳴 施偉斌·

摘 要：為了延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，多跳路由協(xié)議一直是無(wú)線傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中多跳分簇的路由協(xié)議（MHLEACH） 不僅能擴(kuò)展通信范圍，還可以均衡分配節(jié)點(diǎn)能耗，從而有效提高了能量利用率。但該方法存在的問(wèn)題是若選中的簇首距離基站太遠(yuǎn)，則會(huì)耗費(fèi)較多能量。同時(shí)，簇群鏈路分布的不均勻也可能使一些靠近基站的簇首更頻繁地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。為解決該問(wèn)題，提出一種改進(jìn)算法RSSI-Mean-Filter-MHLEACH（簡(jiǎn)稱(chēng)RMF-MHLEACH），該算法能對(duì)接收路由消息時(shí)獲得的鄰居節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度與鄰居表內(nèi)節(jié)點(diǎn)剩余能量信息進(jìn)行比較分析，最后找出最優(yōu)的上層轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而使各節(jié)點(diǎn)在保證通信質(zhì)量的同時(shí)，也能合理分擔(dān)簇首的能量消耗。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);路由協(xié)議; Multihop-LEACH;簇首競(jìng)爭(zhēng);中值濾波;接收信號(hào)強(qiáng)度指示

DOI：10. 11907/rjdk. 181715

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）001-0174-04

Abstract： In order to prolong the survival time for the sensor network， the multi-hop routing protocol has been the hotspot for wireless sensor researches. Among them， Multi-hop LEACH（MHLEACH） routing protocol can conserve extra expedition in RF power and use energy efficiently by forwarding data to base station through muti-hop measure. Although the advantage of this algorithm is that it can reduce energy expenditure， the selected cluster head can be too far from the base station， which will consume extra energy. Meanwhile， the uneven distribution of the cluster link may also cause some cluster heads near the base station to be more frequently called to forward data. In order to solve this issue， this paper presents an improved RMF-MHLEACH algorithm， which takes the advantage of the neighbor nodes RSSI and energy competition to ensure the quality of communication while appropriately allocating the energy consumption on cluster head.

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)形成的分布式、具有自組織能力的低成本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSNs能夠替代人工作業(yè)在惡劣環(huán)境下工作，因此在工業(yè)自動(dòng)化、次生災(zāi)害預(yù)防以及農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。

然而，單個(gè)無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)能量是有限的，WSNs能量消耗模型[2]已指出射頻發(fā)送數(shù)據(jù)是消耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量的主要原因。因此，研究人員為盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，提出相關(guān)協(xié)議與算法。如Muhamnmad Omer Farooq等[3]提出的MR-LEACH路由算法，其令基站確定上層與下層簇首的多跳拓?fù)潢P(guān)系，但基站必須獲取全局網(wǎng)絡(luò)信息;Ashlyn Antoo等[4]提出通過(guò)計(jì)算并傳輸通信代價(jià)矩陣選擇多跳路徑的EEM-LEACH路由算法，但增加了計(jì)算需求與通信負(fù)載;黃廷輝等[5]提出基于非均勻分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議（HRPNC），其通過(guò)分層機(jī)制及競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制選取簇首;Amira Ben Ammar等[6]提出適用于節(jié)點(diǎn)大范圍部署的MH-LEACH based on Cross-layer路由算法，從而分析信噪比，判斷多跳路由鏈路的健壯性，但增加了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)時(shí)間;樊思煒[7]提出一種HCEEC路由協(xié)議，雖然該協(xié)議能根據(jù)能量和簇首與基站的相對(duì)位置動(dòng)態(tài)選取多跳路徑，但每輪建立簇群時(shí)，簇首們都要獲取其自身到基站的相對(duì)位置，從而導(dǎo)致能量浪費(fèi)。

最具代表性的多跳分簇路由則是Fan Xiangning[8]提出的多跳低功耗自適應(yīng)分簇路由MHLEACH（Multihop-LEACH）協(xié)議，其引入了簇間路由與數(shù)據(jù)融合的操作，該方法能夠有效減少必要數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而提升節(jié)點(diǎn)能量利用率，所以多跳分簇自適應(yīng)路由協(xié)議已被證明是一種更有效的路由工作方式。但是MH-LEACH路由算法并不能選擇擁有最小通信代價(jià)的路徑，即便找到了最小通信代價(jià)路徑，靠近基站的簇頭節(jié)點(diǎn)也會(huì)由于頻繁被下層節(jié)點(diǎn)要求通信而導(dǎo)致過(guò)早消亡。

因此，本文通過(guò)改進(jìn)MHLEACH提出一種基于RSSI[9]劃分簇群，并輔以節(jié)點(diǎn)能量數(shù)據(jù)交換判斷理想轉(zhuǎn)發(fā)簇首的多跳低功耗分簇路由協(xié)議RMF-MHLEACH。

1 RMF-MHLEACH協(xié)議

RMF-MHLEACH是改進(jìn)自Multihop-LEACH的路由算法，而MHLEACH協(xié)議是基于LEACH[10]（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）路由協(xié)議所擴(kuò)展的方案。本節(jié)首先簡(jiǎn)述LEACH路由協(xié)議。

1.1 LEACH協(xié)議簡(jiǎn)述

經(jīng)典LEACH協(xié)議提出一種“輪簇”概念，其每輪都由兩個(gè)階段組成：簇建立階段與穩(wěn)定階段。在簇建立階段，節(jié)點(diǎn)之間會(huì)自適應(yīng)地推舉簇首節(jié)點(diǎn)并規(guī)劃簇群;在穩(wěn)定工作階段，節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)。LEACH輪簇過(guò)程如圖1所示。

式中，[r]是當(dāng)前所處的輪數(shù)，[P]是當(dāng)前輪期望出現(xiàn)簇首的分布率，而[G]代表還未當(dāng)過(guò)簇首的集合。

在建立階段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)n通過(guò)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)小于等于[T（n）]時(shí)，節(jié)點(diǎn)[n]則會(huì)被選舉為簇首。簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播告知自己的網(wǎng)絡(luò)ID，等待鄰居節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)簇群的請(qǐng)求Join-REQ幀，然后用TDMA[11]的方式給鄰居節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙表，至此簇首建立階段結(jié)束。穩(wěn)定階段，簇群中的鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)建立階段時(shí)的TDMA時(shí)間表給簇首發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.2 Multi-hop LEACH協(xié)議簡(jiǎn)述

若所有簇首都無(wú)差別地與終端基站直接通信，則簇首保持遠(yuǎn)距離通信會(huì)消耗更多功率。為解決該缺陷，可以允許簇首與簇首之間進(jìn)行通信，以多跳方式向靠近基站節(jié)點(diǎn)的簇首發(fā)送數(shù)據(jù)包，最終抵達(dá)終端基站。

這種采用多跳方式的LEACH路由算法在簇內(nèi)組網(wǎng)過(guò)程中與LEACH路由協(xié)議基本相同，但是簇首并不與基站直接通信，而是利用簇首到簇首以及簇首到基站節(jié)點(diǎn)鏈路估計(jì)的優(yōu)劣結(jié)果，選擇一條到基站節(jié)點(diǎn)的合適的轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[12]。

1.3 RMF-MHLEACH算法描述

RMF-MHLEACH（RSSI-Means-Multi-hop）路由協(xié)議在MH-LEACH基礎(chǔ)上根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度指示[RSSI]進(jìn)行局部節(jié)點(diǎn)篩選。根據(jù)無(wú)線電在自由空間的損耗理論[13]可知，對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間的距離與RSSI值的關(guān)系[14]滿足式（2）。

式中，A代表距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m 處的[RSSI]值，d是無(wú)線傳感器之間的相對(duì)距離，[Xσ]是服從高斯隨機(jī)分布的衰減因子，表示空間白噪聲對(duì)理想信號(hào)的干擾。

在簇群建立階段，網(wǎng)絡(luò)中候選簇首的選擇依然延用經(jīng)典LEACH的簇首選擇公式（1）。

簇群內(nèi)簇首競(jìng)爭(zhēng)半徑[15]的計(jì)算則需要收集鄰居節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，然后進(jìn)行一維中值濾波處理，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

假設(shè)此時(shí)得到的[SMRSSI（i）]是收到的[n]個(gè)有序鄰居節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的樣本集合，分析可知，鏈路質(zhì)量與[RSSI]有關(guān)，因此求[n]個(gè)節(jié)點(diǎn)中的上四分位數(shù)[Q3]作為選取競(jìng)爭(zhēng)半徑的參量。在樣本集[SMRSSI（i）]中，取其不低于[Q3]的樣本作為計(jì)算候選簇首節(jié)點(diǎn)[i]競(jìng)爭(zhēng)半徑[Rc（i）]的參量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，[quantile]是選取樣本分位點(diǎn)的分位函數(shù)[16]，[distance]是根據(jù)式（2）中距離與信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系式所推導(dǎo)的反函數(shù)。在計(jì)算了競(jìng)爭(zhēng)半徑[Rc（i）]的候選簇首后，還需要與[Rc]半徑內(nèi)的其它鄰居節(jié)點(diǎn)[i+1，？，i+v]進(jìn)行能量比較，以確保能選到能量[E]較多的節(jié)點(diǎn)作為簇首，其最終選舉的簇首也必須滿足如下能量公式：

該公式的意義是選取由[Rc]所劃分簇群[G]內(nèi)能量最大的節(jié)點(diǎn)成員[i]作為最終簇首。

2 仿真分析

本文采用Matlab軟件對(duì)RMF-MHLEACH算法進(jìn)行仿真，在大小為100m2的監(jiān)測(cè)區(qū)域空間內(nèi)隨機(jī)分布100個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)，固定基站（BS）位置在（50，100），并制定網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行???? 1 000輪。首先，通過(guò)RMF-MHLEACH分層算法模擬出簇首交替過(guò)程;然后將RMF-MHLEACH算法與LEACH及MHLEACH協(xié)議進(jìn)行性能比較，從節(jié)點(diǎn)存活個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)平均剩余能量，以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸量等方面進(jìn)行考慮，評(píng)估改進(jìn)算法性能;最后，通過(guò)與MH-LEACH 協(xié)議的時(shí)效性進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估改進(jìn)算法效率。對(duì)比仿真相關(guān)參數(shù)定義如表1所示。

2.1 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的所在輪數(shù)可以衡量采用一個(gè)路由協(xié)議時(shí)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

圖4描述了在3種不同分簇路由算法下，網(wǎng)絡(luò)幸存節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨輪數(shù)的變化情況。

可以看出，與MHLEACH協(xié)議相比，采用RMF-MHLEACH路由算法時(shí)，雖然第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間稍早，但在長(zhǎng)時(shí)間表現(xiàn)下，RMF-MHLEACH路由協(xié)議能比MHLEACH協(xié)議?；罡嗫捎霉?jié)點(diǎn)。由此說(shuō)明，相比于MHLEACH協(xié)議，采用RMF-MHLEACH協(xié)議能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)整體平均生存時(shí)間。

由表2可以看出，在RMF-MHLEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)下，死亡節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)較為平緩。雖然RMF-MHLEACH在前200輪會(huì)比其它兩個(gè)協(xié)議提早死亡2～3個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，RMF-MHLEACH能比MHLEACH工作更長(zhǎng)時(shí)間。

2.2 能量消耗

每輪中平均節(jié)點(diǎn)剩余能量可以評(píng)估WSN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的消耗速度。

2.3 數(shù)據(jù)包到達(dá)數(shù)

分簇路由中，數(shù)據(jù)包到達(dá)數(shù)是評(píng)估簇首轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量改善程度的主要參數(shù)之一。由于采用多跳分簇路由機(jī)制，簇首與基站是匯聚數(shù)據(jù)包的主要節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)到達(dá)簇首與基站的數(shù)據(jù)包即是統(tǒng)計(jì)簇首與基站收到的數(shù)據(jù)量。

在對(duì)等仿真環(huán)境下，簇首收到的總數(shù)據(jù)量反映了當(dāng)前分簇下的數(shù)據(jù)承載量，以及作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。因此，分析對(duì)比簇首收到的數(shù)據(jù)量是評(píng)估網(wǎng)絡(luò)效率的指標(biāo)之一。

通過(guò)對(duì)比MHLEACH與RMF-MHLEACH中簇首每百輪收到的數(shù)據(jù)量柱狀圖，可以看出前500輪中MHLEACH簇首的數(shù)據(jù)接收量顯然比RMF-LEACH大得多，而后500輪簇首接收的數(shù)據(jù)量迅速遞減，并且低于RMF-MHLEACH簇首接收的數(shù)據(jù)量，表明RMF-MHLEACH算法在抑制數(shù)據(jù)負(fù)載方面優(yōu)于MHLEACH算法。

3 結(jié)語(yǔ)

本文改進(jìn)了多跳低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議，提出一種在初始階段根據(jù)節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度劃分簇群的方法。在初始階段選取簇首所在簇群后，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)輪換選舉為下一輪簇首，使簇內(nèi)均勻分配收發(fā)的數(shù)據(jù)量，以平均分配網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。由上文分析可知，RMF-MHLEACH有良好的節(jié)能效果，在MHLEACH基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了9%的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。另外需注意的是，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)變化（加入或撤出節(jié)點(diǎn)）的快慢，應(yīng)適當(dāng)縮短或放寬聚類(lèi)成簇時(shí)的換輪時(shí)間間隔，該項(xiàng)工作將在未來(lái)研究中作進(jìn)一步探討。

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（責(zé)任編輯：黃 健）