基于護林防火的無線傳感器網絡路由協(xié)議研究

馬 澤，任力生，王 芳，肖漢英

（1. 河北農業(yè)大學 信息科學與技術學院，河北 保定 071001；2. 內蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察右后旗園林局，內蒙古 烏蘭察布 012400）

關 鍵 字：WSN 網絡；LEACH 協(xié)議；生命周期；護林防火

對人類來說，森林是實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵組成部分，可以說，森林是協(xié)調人類社會和生態(tài)平衡的紐帶。森林可以調節(jié)自然的生態(tài)平衡，被稱為“地球的肺”。它不但為人類生產和生活提供了各種各樣的原材料，而且極大地緩解了人類開發(fā)對自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞［1］。森林肩負著許多歷史使命，如保護自然生態(tài)體系、凈化空氣質量、保證地球物種多樣性等。盡管中國森林覆蓋率呈上升趨勢，但仍不能滿足生態(tài)平衡。如何合理地保護和利用森林資源將是擺在人們眼前的1 個重要的問題。護林防火作為林業(yè)經營活動中最重要的環(huán)節(jié)之一，越來越受到國家和社會的重視，對我國林業(yè)發(fā)展和環(huán)境安全起到了積極的推動作用。

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是信息獲取的重要手段。無線傳感器網絡由成千上百的傳感器節(jié)點和1 個基站組成，將傳感器節(jié)點部署在指定的監(jiān)視區(qū)域中，節(jié)點之間通過相互協(xié)作，來采集監(jiān)控區(qū)域內的數據信息，并將采集到的數據信息傳輸給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對數據進行處理和融合傳遞給基站，傳遞到基站后，基站將數據分類并通過互聯網將其發(fā)送給客戶端，從而完成用戶對傳感區(qū)域的監(jiān)視［2-3］。無線傳感器網絡具有成本低，自組織，可靠性高，維護管理方便，布線自由，數量大等特點，這些優(yōu)勢使無線傳感器網絡在護林防火中具有巨大的潛在應用。

在現階段，護林防火監(jiān)測系統(tǒng)還不夠完善，仍然面臨許多問題［4］。由于林業(yè)環(huán)境復雜、面積大且樹木分布不均，森林高度動態(tài)變化、信號易遮擋等特點，傳統(tǒng)的監(jiān)測網絡節(jié)點部署困難，維護成本高，網絡缺乏靈活性和可擴展性，因此現有的監(jiān)測系統(tǒng)并不適合于森林火災數據的監(jiān)控。無線傳感器網絡可以很好地解決這些問題，無線傳感器網絡成本低，可以隨機部署，即使在人類無法到達的深林也可以采用利用飛機或者無人機進行部署，降低了人力成本。無線傳感器網絡的可擴展性好，抗干擾能力強，當林區(qū)節(jié)點部署完畢以后，傳感器節(jié)點以自組織的形式形成網絡結構，進行數據交互與傳輸。當有節(jié)點能量消耗殆盡或者有新的節(jié)點重新加入網絡時，網絡又會重新組織拓撲結構，進行數據傳輸，因此將無線傳感器網絡技術應用到護林防火系統(tǒng)是必要的。

但是由于林區(qū)環(huán)境復雜，無法部署固定電源，因此傳感器節(jié)點一般由電池供電［5］，一旦將節(jié)點部署，就很難再次更換電池，因此，WSN 的節(jié)點能耗問題一直是眾多學者研究的熱點問題。雖然有專家提出利用太陽能設備可以解決WSN 中傳感器的電池壽命問題［6］，但是在森林中，樹木茂密并且高大，太陽光很難透過樹葉到達傳感器節(jié)點，所以，設計低功耗、高效節(jié)能的路由協(xié)議是將無線傳感器網絡技術用在森林防火監(jiān)測系統(tǒng)的的重中之重。

1 LEACH 路由協(xié)議介紹

LEACH 協(xié)議是WSN 中最早的分簇路由協(xié)議［7-8］，其網絡拓撲如圖1 所示。目前大多數分層協(xié)議都源自LEACH 協(xié)議，通過在LEACH 協(xié)議基礎上進行算法的改進，數據融合等一系列的操作。

圖1 LEACH 協(xié)議模型Fig.1 LEACH protocol model

1.1 LEACH 協(xié)議的運行過程

LEACH 協(xié)議以“輪次”的方式運行。每輪次包括2 個階段：第一階段是簇首節(jié)點的建立，第二階段是穩(wěn)定的數據傳輸階段。

在簇首建立階段，首先要對所有的節(jié)點以及基站進行初始化，所有節(jié)點要將節(jié)點本身的信息發(fā)送到基站，用于基站來隨機選擇簇首。LEACH 協(xié)議簇首競選方法為［9］：節(jié)點隨機產生1 個0 到1 之間的數字，如果這個數字的值小于閾值T(n)，則該節(jié)點廣播自己成為簇首節(jié)點的消息。T(n)如公式(1)所示：

其中P是簇首在所有節(jié)點中所占的百分比，r是選擇輪次，rmod(1/P)表示在該輪開始之前已經當選過簇首的節(jié)點個數，G是沒有當選過簇首節(jié)點的集合。如果節(jié)點在上一輪r循環(huán)中它成為簇首節(jié)點，它將不再能夠在以后的(1/P)輪中重新當選，這增加了其他節(jié)點成為簇首節(jié)點的可能性。在(1/P)回合之后，所有節(jié)點都有可能一次又一次地將P用作選擇簇首節(jié)點的概率。當節(jié)點當選為簇首節(jié)點后，會以廣播的方式發(fā)布消息，告知其他非簇首節(jié)點自己已經成為簇首節(jié)點的消息，非簇首節(jié)點會根據接收到的信號的強度決定要加入哪個分簇，并將消息發(fā)送回相應的簇首。簇首節(jié)點基于時分多址(TDMA)為每個簇中的非簇頭節(jié)點分配通訊時間，節(jié)點只有在自己傳輸的時間內才能進行數據的傳輸［10］。

在數據傳輸穩(wěn)定階段，簇內的成員節(jié)點以最小功率將數據發(fā)送到正在通訊的簇首，以節(jié)省節(jié)點能量，在等待下一個所分配的時間間隙到來之前，節(jié)點會進入休眠狀態(tài)，等待再次被喚醒進行數據傳輸。收集完所有數據后，簇首將簇內成員發(fā)送來的數據通過融合算法進行數據融合處理，將結果匯總后發(fā)送給基站，最后基站將接收到的數據發(fā)送給數據處理中心［10-11］，本輪結束以后，網絡會重新再次選擇簇首節(jié)點，重復上面的步驟。為了最小化功耗，穩(wěn)定工作階段的時間要遠遠大于簇首建立階段。

1.2 LEACH 協(xié)議的網絡模型與能量模型

在簇首選舉采集轉發(fā)數據之前，首先定義整個網絡的網絡模型進行定義：

(1)傳感器節(jié)點均勻且隨機地分布在整個網絡領域；

(2)所有節(jié)點本質上是同質的（即相同的傳感和通信能力以及相同的能源）；

(3)一旦傳感器節(jié)點隨機放置，所有傳感器節(jié)點和基站(BS)在其整個生命周期內都不會移動；

(4)每個節(jié)點可以隨時計算其剩余能量。

LEACH 協(xié)議采用的是一階無線電能量模型，如圖2 所示：

圖2 一階無線電模型Fig.2 First-order radio model

假設在L×L監(jiān)視環(huán)境中有N個節(jié)點和n個簇首節(jié)點。每個簇中包含N/n個節(jié)點，包括簇首節(jié)點和(N/n)-1 個普通節(jié)點。根據一階無線電模型［12］，可以通過公式(2)計算出發(fā)送m位數據的能耗ETX為：

其中，Eelec表示無線電發(fā)送、接收、數據編碼，調制解調等所消耗的能量，而εamp和εfx是放大器的增益，與信道的通信模型有關。當d≤d0時，能量消耗與距離的平方成正比［13］，此時采用自由空間信道模型，當d＞d0時，能量消耗與距離的4 次方成正比，此時采用多徑衰落信道模型。

接收1 個mbit 信號所消耗的總能量為ERX：

d0的表示方法為：

在無線傳感器網絡中，節(jié)點在進行數據通信的時候，所需要的能量要遠遠大于數據計算時候的能量。因此本文在計算時，僅考慮傳感器節(jié)點在通信階段所消耗的能量。

1.3 LEACH 協(xié)議的不足

LEACH 協(xié)議作為最早被提出的分簇路由協(xié)議，還是存在著一定的不足之處：

(1)簇首節(jié)點的隨機性［14］。在簇首選擇的過程中，每個節(jié)點當選為簇首節(jié)點的幾率是一樣的，這就會導致經過幾輪以后，剩余能量較高的節(jié)點與剩余能量較低簇首選舉的概率是一樣的，如果此時，經過計算選擇，剩余能量較低的節(jié)點再次被選舉為簇首節(jié)點，那整個網絡的安全性與生命周期都會出現問題，導致整個網絡宕機。

(2)未考慮最佳簇首數目。在無線傳感器網絡中，簇數目對網絡能耗是有影響的。如果網絡中簇首節(jié)點過多，則會增加簇首節(jié)點與匯聚節(jié)點的通信能耗，同時，在簇首節(jié)點與匯聚節(jié)點通信的過程中會產生信道競爭以及信號干擾的問題［15］；如果網絡中簇首節(jié)點的數目過少，則網絡中就會存在很大的簇，簇內會有大量的節(jié)點，每個節(jié)點都需要與簇首節(jié)點進行通信，簇首節(jié)點的能量消耗就會增大，導致整個網絡中的節(jié)點的能耗不均衡，縮短網絡的生命周期。

(3)LEACH 協(xié)議采用的是單跳的方式進行數據傳輸，簇首節(jié)點與基站之間的距離會影響數據轉發(fā)時的能耗。如果有些網絡分簇的簇首節(jié)點與基站的位置過遠，采用單跳的方式，會增大能量的消耗，導致網絡中的節(jié)點能耗不均勻。

2 LEACH-HD 算法介紹

針對LEACH 協(xié)議存在的不足問題，筆者提出了1 種新的算法LEACH-HD，該算法在簇首選舉過程中，通過確定計算最佳簇的數目以及在選舉公式中加入了剩余能量因子與平均距離因子，使整個網絡的能耗更加均衡化，簇首節(jié)點的選擇更加合理化，下面進行詳細介紹。

2.1 最佳簇的計算

由于該算法是在LEACH 算法上進行改進，則網絡模型與LEACH 協(xié)議的網絡模型一致，在1.2 節(jié)已經描述過，這里就不在贅述。

簇首節(jié)點的數目在整個網絡的生命周期中起著重要的作用［16-19］。對于LEACH-HD 協(xié)議來說，在同一個網絡環(huán)境下，如果分簇的數量不一樣，那么整個網絡的能量消耗可能也會存在差異，所以通過計算得出網絡中最佳簇的個數非常重要。假設在L×L監(jiān)視環(huán)境中有N個節(jié)點和n個簇首節(jié)點。每個簇中有N/n個節(jié)點，包括簇首節(jié)點和(N/n)-1 個普通節(jié)點。根據一階無線電模型，第一次發(fā)送和接收m位數據能耗ECH可以表示為［20］：

一次數據的傳輸需要經過m次發(fā)送操作與(m-1)次接收操作，其中m是1 次傳輸的數據量；EDA是簇首節(jié)點進行數據融所消耗的能耗，而dsink是簇頭與基站之間的距離。數據傳輸中每個節(jié)點的能耗ENn為：

其中dx是非簇頭節(jié)點與簇頭節(jié)點之間的距離。

考慮到數據發(fā)送和接收所需的能量，簇頭的能量消耗以及ADV 的能量消耗，可以得出總能量消耗ETotal：

根據節(jié)能目的，最佳簇數量為：

2.2 簇頭選擇機制

與LEACH 協(xié)議類似，LEACH-HD 同樣在“輪次”的基礎上運行。每輪仍分為簇頭的建立階段和數據傳輸階段。但是區(qū)別在于LEACH-HD 改進了簇頭閾值的選擇。LEACH 協(xié)議使用隨機數并使用公式(1)計算閾值。因此，存在諸如簇首選擇不均勻的問題，并且在計算過程中，會選擇剩余能量較低的節(jié)點為簇首節(jié)點，降低網絡壽命。在LEACH-HD 中，筆者考慮節(jié)點的是剩余能量和網絡的剩余能量。每個節(jié)點選擇1 個介于0 和1 之間的隨機數來選擇簇頭。為了使節(jié)點成為簇首，節(jié)點與基站之間的距離必須小于從所有節(jié)點到基站位置的平均距離，并且其隨機數必須小于以下閾值：

其中，P是簇首在所有節(jié)點中所占的百分比，r是選擇輪次，n是區(qū)域網絡中節(jié)點的數量。G是上一輪未成為簇首的節(jié)點的集合，Er是每個節(jié)點的剩余能量，ERemain是網絡中所有存活節(jié)點的剩余能量的總和，即：

DitoBS是節(jié)點到基站之間的距離，而Davg是整個網絡的平均距離，即：

α與β是權重，并且α+β=1。LEACH-HD 通過將加入節(jié)點的剩余能量因素和距離因素計算出閾值，從而改善了簇首節(jié)點的選取機制。如果該節(jié)點可以滿足上述要求，則該節(jié)點當選為本輪的簇首節(jié)點。簇首節(jié)點通過廣播的方式向所有節(jié)點發(fā)布自己成為簇首節(jié)點的消息，非簇首節(jié)點根據廣播信號的強度決定加入哪個分簇。在數據傳輸階段，簇首節(jié)點以時分復用的方式為簇內成員節(jié)點分配通通信的時間，非簇頭節(jié)點在簇頭節(jié)點為自己分配的通信時隙向簇頭節(jié)點發(fā)送數據，不在通訊時間內，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，接收到所有數據后，簇頭節(jié)點將匯總數據并將其發(fā)送到接收器節(jié)點。LEACH-HD 的運行過程如圖3 所示：

圖3 LEACH-HD 的運行過程Fig.3 The operating process of LEACH-HD

3 仿真結果與分析

3.1 NS-2 仿真工具

NS-2 是1 個面向對象設計的網絡模擬器［21］，實質上是1 個離散事件模擬器，所有仿真模擬都是由離散事件驅動的,它支持大規(guī)模的多協(xié)議網絡仿真，為相同的仿真模型提供不同的仿真實現；它提供1 個仿真接口，可以將真實的網絡節(jié)點流量輸入到仿真模型中的節(jié)點中，從而同步仿真真實網絡的行為；提供可視化工具，對網絡仿真過程進行動畫處理，以圖形方式顯示數據結果等。

3.2 結果分析

該部分采用NS-2 仿真工具對LEACH 協(xié)議，基于位置信息的傳感器網絡協(xié)議HRBGR 算法［22］和基于最短有效轉發(fā)距離的多跳路由算法RDMC［23］協(xié)議與LEACH-HD 協(xié)議進行了的技術的性能評估。最后，仿真從節(jié)點存活方面，Sink 節(jié)點數據接收方面，網絡能量的消耗方面，闡明了LEACH-HD 算法的優(yōu)越性。首先，在網絡中配置參數（表1）：

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域的隨機分布圖見圖4。

圖4 節(jié)點分布圖Fig.4 Node distribution map

在LEACH-HD 協(xié)議中，網絡性能隨簇數量的不同而不同。圖5 顯示了死亡節(jié)點數與分簇數隨時間之間的變化曲線。

當n=5 時，整個無線傳感器網絡中有許多存活節(jié)點。網絡運行410 s 后，死節(jié)點開始出現，并且網絡運行700 s 后，存活節(jié)點為0，網絡無法工作；當n為其他值時，整個網絡的存活節(jié)點的數量會減少得更早，整個網絡都會提早進入癱瘓期，因此在模擬實驗中n=5。

圖5 n 值和死節(jié)點數的關系Fig.5 Relationship between n value and number of dead nodes

圖6 存活節(jié)點對比圖Fig.6 Survival node comparison chart

LEACH-HD 協(xié)議Sink 節(jié)點的數據接收量更大。

圖6 是節(jié)點生存期的比較。從圖6 可以看出，LEACH-HD 協(xié)議延長了第一個節(jié)點的死亡時間。LEACH 大約在390 s 時就死掉，HRBGR 大約在410 s 的時候出現死亡節(jié)點，RDMC 在420 s 左右出現死亡節(jié)點，而LEACH-HD 節(jié)點大約在420 s 的時候，死亡節(jié)點才開始出現，延長了約7.14%。對于整個網絡系統(tǒng)，LEACH 節(jié)點的總死亡時間約為530 s，HRBGR 是在560 s 左右節(jié)點全部死亡，RDMC 是在580 s 左右整個網絡的節(jié)點全部死亡，LEACH-HD 節(jié)點的總死亡時間約為610 s。因此，改進的LEACH-HD 有效地延長了網絡的壽命。圖7 顯示了Sink 節(jié)點的數據接收量與時間的關系。在協(xié)議運行的前期，4 種協(xié)議的匯聚節(jié)點接收量相差無幾，當死亡節(jié)點開始出現時，首先LEACH 協(xié)議的數據接收量開始出現拐點狀態(tài)，然后緩慢增長，當節(jié)點全部死亡以后，LEACH 協(xié)議的數據接收量達到1.19×105，HRBGR 協(xié)議的總接收量為1.21×105，RDMC 協(xié)議Sink 節(jié)點的接收量為1.36×105，而LEACH-HD 協(xié)議的ASink 節(jié)點接收量為1.39×105，所以改進的LEACH-HD 協(xié)議在數據的接收量方面也優(yōu)于其他3 種路由算法。

圖7 Sink 節(jié)點接收數據對比圖Fig.7 Comparison chart of received data by sink rode

LEACH-HD 協(xié)議可以使總能量的消耗時間更長。圖8 顯示了整個網絡消耗的能量與網絡生命周期之間的關系。

圖8 能量消耗對比圖Fig.8 Energy consumption comparison chart

從圖中可以看出，LEACH-HD 協(xié)議在在網絡消耗的總能量方面優(yōu)于其他協(xié)議。在大約530 s 時，LEACH 算法中網絡的總能量消耗完畢，HRBGR 在560 s 左右整個網絡的能量變?yōu)?，RDMC 算法是在580 s 左右，整個網絡的能量消耗殆盡，而LEACHHD 路由算法網絡的能量在610 s 左右消失，性能表現的更好。這是因為LEACH-HD 算法在簇頭選舉中比其他算法的有效性更好，因此在簇頭選舉過程的每一輪中都節(jié)省了節(jié)點的能量，從而降低了網絡中所有節(jié)點的能耗。

4 結論

本研究首先對森林防火系統(tǒng)區(qū)域的特點和部署場景展開討論，并設計出系統(tǒng)的體系結構。在此基礎上，對LEACH 協(xié)議的分簇思想和特點進行分析，結合網絡模型，詳細討論了基于距離與節(jié)點剩余能量的LEACH-HD 的設計。最后，仿真實驗分析了LEACH-HD 協(xié)議在節(jié)點的存活，數據接收量，網絡壽命方面的優(yōu)越性，對于森林防火監(jiān)測具有重要的前瞻性作用。