無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究*

張利瓊，陶 昆

（貴州師范大學，貴州 貴陽 550014）

0 引言

傳感器網(wǎng)絡通常由覆蓋一個地區(qū)的若干傳感器節(jié)點組成。每個傳感器節(jié)點獨立進行數(shù)據(jù)收集及處理［1-2］，并將得到的數(shù)據(jù)通過無線連接傳送到網(wǎng)關節(jié)點，再由網(wǎng)關節(jié)點向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送。對于傳感器網(wǎng)絡，路由協(xié)議設計是很具挑戰(zhàn)性的。首先，節(jié)點沒有全球唯一的標識符，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議無法應用在傳感器網(wǎng)絡中;第二，傳感器網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都是源節(jié)點，向唯一的目的節(jié)點Sink發(fā)送數(shù)據(jù);第三，由于在被測對象內部或附近部署了大量的節(jié)點，它們采集到的數(shù)據(jù)是相同或相近的。這就需要路由協(xié)議具有數(shù)據(jù)融合能力，以節(jié)約電能，提高帶寬利用率;第四，節(jié)點具備處理能力。節(jié)點的電能存儲能力是很有限的，需要強大的資源管理和任務調度能力。因此，傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議［3］是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡截然不同的。

1 LEACH協(xié)議

簇的建立和簇頭特定任務的分配對于整個系統(tǒng)的可擴展性、壽命和能量效率起著非常大的作用。聚類路由［4］是降低簇中能量消耗的一種有效方式。LEACH［5］（Low-Energy Adaptive Cluster-based Hierarchy）算法是最早的比較成熟的聚類路由算法。

LEACH協(xié)議的隨機簇頭選擇分布不均勻，而且LEACH協(xié)議是根據(jù)節(jié)點曾經(jīng)擔當簇頭的次數(shù)來決定是否擔任簇頭而沒有考慮節(jié)點的剩余能量;同時，LEACH網(wǎng)絡協(xié)議在節(jié)點數(shù)量大的無線傳感器網(wǎng)絡中使用時會采集大量的冗余數(shù)據(jù)，這樣會使網(wǎng)絡由于處理大量的冗余數(shù)據(jù)而使網(wǎng)絡能耗大大增加，縮短了網(wǎng)絡的生存周期。

LEACH-C［6］（LEACH-centralized） 是集中式的簇頭產(chǎn)生算法，由基站負責挑選簇頭。因為無線傳感器網(wǎng)絡中使用節(jié)點數(shù)量大，節(jié)點覆蓋密度也大，這樣無法避免地使單個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)與整個無線傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)有很大的關聯(lián)性。而用戶需要的，并不是所有的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)（包含冗余數(shù)據(jù)），而只是對發(fā)生事件的描述——利用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集分析出的被觀測區(qū)域正在發(fā)生的事件狀況。

2 LEACH協(xié)議的改進

可以對LEACH協(xié)議進行改進，在成簇階段（setupstate）之前，插入一個以節(jié)點能量為判斷標準的篩選過程，將節(jié)點的剩余能量［7］與網(wǎng)絡的平均能量相比較，一旦判斷出本節(jié)點的能量大大的低于網(wǎng)絡的平均能量，宣布節(jié)點在接下來的循環(huán)進入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點，并再次進行篩選。同時，對成簇階段的非簇內節(jié)點，在接下來的循環(huán)中使其進入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點。

能耗設置方面，作了如下設置:發(fā)送節(jié)點的能耗包括啟動收發(fā)機能耗和放大信號能耗;接受節(jié)點的能耗設置為啟動收發(fā)機能耗。如圖1所示。

圖1 無線傳輸?shù)哪芰磕Ｐ?/p>

從圖1可以看出:每處理k個bit的信息，需要消耗的能量為Eelec*k，而信號放大能量需要由信號傳播的距離決定，εamp為放大系數(shù)。我們可以把距離分作兩種:信號在簇內部傳輸時，我們視其為自由空間傳輸，此時信號收發(fā)機的能耗為:ETX（k，d）=Eelec*k+εamp*k*d21;d1為簇間傳輸距離。

在能量篩選算法［8］中，我們指定了一個能量門限（pthresh_）判斷節(jié)點能量在網(wǎng)絡中的地位:

其中Etotal是網(wǎng)絡總能量;N代表網(wǎng)絡中存活節(jié)點的總數(shù);Ei是本節(jié)點的能量。

pthresh_的表達式能夠將本節(jié)點的能量在網(wǎng)絡中的地位清晰地表示出來。當能量門限取1時，意味著本節(jié)點能量遠遠低于網(wǎng)絡中節(jié)點的平均能量。此時我們就可以設置節(jié)電關閉其無線收發(fā)機進入休眠狀態(tài)，等到下個循環(huán)再重新開啟，重復能量判斷過程;當門限值取Etotal/N*Ei時，就依照門限大小決定節(jié)點休眠的概率:我們假設根據(jù)改進方法中能量判決門限所篩選出的節(jié)點就是最近周期內剛剛擔任過CH的節(jié)點。進而令其在接下來的循環(huán)中進入休眠，直至新的簇首節(jié)點競爭周期到來。因為剛在最近周期擔任過CH的節(jié)點，在能耗上的確大于其他節(jié)點，其所剩的能量在網(wǎng)絡中必然處于較低的水平。所以在仿真中我們檢測節(jié)點的hasbeench_變量狀態(tài)，使每個節(jié)點在發(fā)送信息之前都先判斷一下該變量狀態(tài)（hasbeench_標志著本節(jié)點在上一個循環(huán)是否為CH節(jié)點），如果hasbeench_為l，表示上個循環(huán)中此節(jié)點擔任過CH，則令其在本輪循環(huán)中進入休眠;否則，就產(chǎn)生隨機數(shù)P與pthresh_做比較，一旦P小于門限pthresh_，則關閉節(jié)點，令其休眠;否則繼續(xù)執(zhí)行發(fā)送函數(shù)中的其他指令，向sink節(jié)點發(fā)送信息。同時，對成簇階段的非簇內節(jié)點，在接下來的循環(huán)中使其進入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點。

3 仿真設計

改進型LEACH的每輪循環(huán)分為節(jié)點能量篩選階段、簇形成階段和穩(wěn)定工作階段三個部分:

（1）每輪循環(huán)開始時，首先進行節(jié)點能量篩選，將低能節(jié)點、非簇內節(jié)點以及在上輪循環(huán)中擔當簇頭的節(jié)點令其進入睡眠狀態(tài)，直到新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點;

（2）簇形成階段由 decideClusterHead、advertiseCluster-Head、findBestCluster、informClusterHead、createSchedule 幾個函數(shù)組成，在經(jīng)過該階段后，簇頭節(jié)點和相應的簇內節(jié)點得以選出和形成，同時簇頭節(jié)點將根據(jù)本地信息給簇內節(jié)點分配TDMA時隙，并廣播給簇內所有節(jié)點;

（3）在穩(wěn)定工作階段，簇內各個節(jié)點根據(jù)分配的TDMA時隙將感知的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)聚合后發(fā)給基站。經(jīng)過一輪數(shù)據(jù)采集和收集工作后，為了均衡節(jié)點能量，將進行新一輪的節(jié)點能量篩選和簇頭選擇。通常，穩(wěn)定工作階段時間都比前兩階段長。

4 仿真結果

4.1 網(wǎng)絡生存周期

由圖2分析可知，LEACH協(xié)議的第一節(jié)點死亡時間為410 s，整個網(wǎng)絡失效時間為527 s;LEACH-C協(xié)議的第一節(jié)點死亡時間為380 s，整個網(wǎng)絡失效時間為571 s;改進型協(xié)議的第一節(jié)點死亡時間為280 s，整個網(wǎng)絡失效時間為603 s。改進型協(xié)議第一節(jié)點死亡時間最早，其主要原因是每輪簇形成之前，每個節(jié)點都需要計算自身能量在整個網(wǎng)絡中的狀態(tài)，即進行能量篩選，故能耗要稍大些。但是改進型協(xié)議考慮了節(jié)點剩余能量在整個網(wǎng)絡中的水平，不允許低于整個網(wǎng)絡平均能量的節(jié)點擔任簇頭，并將一些低能的數(shù)據(jù)冗余節(jié)點令其進入休眠狀態(tài)，這樣節(jié)省了節(jié)點能耗，使網(wǎng)絡生存周期較LEACH協(xié)議延長了14.4%，較LEACH-C協(xié)議延長了5.9%。因此，改進型協(xié)議的網(wǎng)絡生存能力要優(yōu)于LEACH協(xié)議。

4.2 平均能量消耗

由圖3分析可知，改進型協(xié)議不僅將整個網(wǎng)絡各個節(jié)點的能耗進行了平均，而且讓網(wǎng)絡中的節(jié)點輪換休息，對節(jié)點數(shù)量較大、節(jié)點覆蓋密度大的無線傳感器網(wǎng)絡來說，節(jié)約了節(jié)點的能耗，在一定程度上延長了網(wǎng)絡的生存周期。

5 結束語

目前，WSN技術己經(jīng)漸趨成熟和實用，其路由協(xié)議研究也成為一個熱點。經(jīng)典的LEACH具有一定的局限性，通過對LEACH的改進，進行仿真。通過仿真，LEACH的改進，比原LEACH協(xié)議具有更好的網(wǎng)絡生存周期，節(jié)約了節(jié)點能耗。

圖2 網(wǎng)絡生存周期

圖3 平均能量消耗

［1］任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡［J］.軟件學報，2003，14（7）:1282-1291.

［2］李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網(wǎng)絡及其數(shù)據(jù)管理的概念、問題與進展［J］.軟件學報，2003，14（10）:1717-1727.

［3］Heinzelman W.Application-specific-protocol-architectures for Wireless Networks［D］.Ph.D.Dissertstion，Mass.Inst.Technol，Cambridge，2000.

［4］Wendi B.Heinzelman，An Application-Specific-Protocol-Architecture for Wireless Microsensor Networks［C］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1（4）:660-670.

［5］Wendi Rabiner Heizelman，Joanna Kulik，H.ari Balakrishnan.Adaptive Protocols for information dissemination in Wireless Sensor Networks［A］.VictorBah1.1999 5th ACM/IE-EE Annual International Conference on Mobile Computing and Networking Proceedings［C］.Seattle，WA，USA:ACM，1999.174-185.

［6］柯志亨，程榮祥，鄧德雋.NS2仿真實驗——多媒體和無線網(wǎng)絡通信［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［7］王慧斌，俞弦，徐立中.無線傳感器網(wǎng)絡LEACH協(xié)議的改進［J］.無線傳感器網(wǎng)及網(wǎng)絡信息處理技術，2006:10176-184.