無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議簇頭選舉能量消耗研究

廖明華, 張 華

(1.湖南財政經(jīng)濟學院信息管理系, 湖南長沙 410205; 2.湖南大學信息科學與工程學院, 湖南長沙 410082)

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域中大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),由于微型傳感器節(jié)點本身能量受限,使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由有區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征,節(jié)能也往成為其路由協(xié)議中首要考慮的因素.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要分為以數(shù)據(jù)為中心的平面路由、網(wǎng)絡(luò)分層路由、基于查詢的路由、地理位置路由和能量感知路由[1],在這些路由協(xié)議中LEACH[2](Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議是一個能量利用較高的分層路由協(xié)議,由于在LEACH協(xié)議中需要不斷的進行分簇,因此,由于分簇帶來的能量消耗對整個協(xié)議的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)壽命都有十分重要的作用,本文首先對LEACH協(xié)議的原理作了簡單介紹,對LEACH協(xié)議的簇頭選舉過程的能量消耗進行了詳細研究,并和原協(xié)議做了對比分析.

2 LEACH路由協(xié)議分析

LEACH協(xié)議的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選舉簇首節(jié)點,將網(wǎng)絡(luò)的能量負載均勻的分配到網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點上.LEACH協(xié)議將整個網(wǎng)絡(luò)周期分為“輪”和“周期”,每一輪由初始化和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸兩個階段組成[3],每一輪都隨機選擇一個簇首,選舉機制為：每個傳感器節(jié)點隨機選擇一個0～1之間的隨機數(shù),如果小于給定的閾值T(n),則選舉為簇首,其中閾值的計算方法為[2]：

P=k/N,是節(jié)點選為簇頭的概率,k是簇頭個數(shù),N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的個數(shù),r為當前“輪”數(shù),G是r-1輪未擔任過簇的節(jié)點集.顯然,通過這種機制,沒有擔任過簇頭的節(jié)點隨著輪數(shù)的增加,其閾值T(n)也會越大,擔任簇頭的概率也越大,最終保證在連續(xù)1/p輪中每個節(jié)點都能擔任一次簇頭.

LEACH協(xié)議在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段,其物理模型采用了一階序電模式[2](first order radio model),假設(shè)傳感器接收或發(fā)射長度為m(bit)的數(shù)據(jù),接收機消耗的能量為：

Eelec為接收電路或發(fā)射電路處理1bit數(shù)據(jù)消耗的能量,d為傳輸距離,d0為距離的閾值.

發(fā)射機所用的能量為：

εfs為近距離發(fā)射放大器參數(shù),εamp為遠距離發(fā)射放大器參數(shù).

由于LEACH協(xié)議中只考慮了網(wǎng)絡(luò)中采集到的數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送,沒有考慮網(wǎng)絡(luò)在運行過程中發(fā)送控制信號所消耗的能量,根據(jù)LEACH協(xié)議的機制,每一輪都要進行簇頭的選舉,在簇頭選舉過程中,節(jié)點之間要相互交換信息,發(fā)送控制數(shù)據(jù)包,因此,帶來的能量消耗是不能忽略的.

3 簇頭選舉的能量消耗及對網(wǎng)絡(luò)生命周期的影響

根據(jù)文獻[3]的能量消耗模型,本文進一步可以計算出簇頭選舉過程中的能量消耗.為了簡化描述,假設(shè)在簇頭選舉過程中所有節(jié)點以最大功率發(fā)射信號,簇頭數(shù)為k,控制信號為h個字節(jié).非簇頭節(jié)點的能量消耗包括：非簇頭節(jié)點接收廣播信號的能量消耗Enochrecm、非簇頭節(jié)點發(fā)送加入簇信息的能量消耗Enochsend、成員接收簇頭TDMA信號的能量消耗Enochrect;簇頭節(jié)點的能量消耗包括：簇頭廣播數(shù)據(jù)的能量消耗Echsendm、簇頭接收成員信息的能量消耗Echrec、簇頭發(fā)送TDMA信號的能量消耗Echsendt,簇頭廣播信息階段采用多路徑衰減信道模型,簇頭和簇成員通信采用自由空間信道模型[4].

Enoch為非簇頭節(jié)點能耗,d為到簇頭節(jié)點的距離,alive為存活節(jié)點數(shù).

簇頭節(jié)點的能量消耗,采用多路徑衰減信道模型：

Ech為簇頭節(jié)點的能量消耗,do節(jié)點最大發(fā)送距離.

式 (4)和式 (5)表明,簇形成過程中的能量會消耗節(jié)點的部分能量.

4 仿真實驗

在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上,將網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制數(shù)據(jù)包的能量消耗加入進來,網(wǎng)絡(luò)模型如下：傳感節(jié)點隨機分布在一個正方形區(qū)域;傳感器節(jié)點同構(gòu),具有全網(wǎng)唯一的Id號,能量受限,節(jié)點靜止;基站固定;節(jié)點可通過單跳或多跳的方式與基站通信;無線發(fā)射功率可調(diào),仿真過程不考慮數(shù)據(jù)的錯誤重發(fā).實驗參數(shù)如表1,為了便于說明,本文用LEACH-P表示考慮了簇頭形成過程中能量消耗的LEACH協(xié)議.根據(jù)文獻[3]提出的參數(shù)：FND(first node dies)和HNA(Half nodes alive)來衡量網(wǎng)絡(luò)生命周期.

表1 實驗參數(shù)

4.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期

圖1表明,當考慮了網(wǎng)絡(luò)形成過程中的能量消耗后,在時間上來看,FND和HNA都有一定程度的提前,雖然當存活節(jié)點數(shù)在10個左右時,兩者的性能才趨于相近,但從圖中發(fā)現(xiàn),這段時間內(nèi),存活節(jié)點曲線幾乎是一條水平線,也就是說沒有節(jié)點死亡,其原因在于,在這段時間,由于存活的節(jié)點少,根據(jù)LEACH協(xié)議的組簇原理,實際上很多輪都未產(chǎn)生簇頭,說明網(wǎng)絡(luò)在這段時間雖然還有存活節(jié)點,但網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)失去了應用意義,因此簇形成過程中的能量消耗影響了網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

圖1 網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點數(shù)比較

4.2 能量消耗

圖2 網(wǎng)絡(luò)剩余總能量比較

圖2表明,在整個生命周期內(nèi),LEACH-P的能量消耗比LEACH網(wǎng)絡(luò)的能量消耗要大.

5 結(jié)束語

本文對LEACH協(xié)議簇形成過程中的能耗進行了分析,通過實驗表明LEACH協(xié)議在簇形成過程中的能量消耗是整個網(wǎng)絡(luò)能量消耗一個不可忽略的部分,在今后進行節(jié)能算法研究時,如何減少簇形成過程中的能量消耗,應該是我們研究方向之一.

[1]王殊,閻毓杰等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應用 [M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

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