改進(jìn)型LEACH協(xié)議的差異化分簇的研究

崔春莉

(太原旅游職業(yè)學(xué)院，山西太原030032)

目前，無(wú)線傳感器覆蓋問(wèn)題主要分為定性覆蓋和隨機(jī)覆蓋兩種，在定性覆蓋中，研究的主要對(duì)象是如何使用最少的節(jié)點(diǎn)對(duì)目前的環(huán)境進(jìn)行覆蓋;隨機(jī)覆蓋研究的是采用隨機(jī)部署的方式來(lái)對(duì)目前環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)［1］中描述了Howard等人將勢(shì)場(chǎng)理論應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)假設(shè)虛擬場(chǎng)和虛擬受力來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。文獻(xiàn)［2］中討論了如何利用節(jié)點(diǎn)的覆蓋冗余來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］的LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議，能夠較好地解決能量負(fù)載的均衡問(wèn)題，平衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)資源消耗的目的，從而有效合理地提高網(wǎng)絡(luò)的生存使用時(shí)間。但在實(shí)際的應(yīng)用中，并不是所有的傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能都是很好的，其中，一些傳感器網(wǎng)絡(luò)存在一定的差異性，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了有一些區(qū)域的數(shù)據(jù)比較多，稱為“熱點(diǎn)區(qū)域”。任務(wù)是能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，檢測(cè)目標(biāo);另一些區(qū)域的數(shù)據(jù)非常非常少，甚至是零，這些區(qū)域稱為“非熱點(diǎn)區(qū)域”。主要的任務(wù)是負(fù)載監(jiān)聽(tīng)。導(dǎo)致產(chǎn)生這樣的原因是因?yàn)榇氐姆植疾粔蚶硐氲脑颍槍?duì)這樣的情況，本文提出了一種改進(jìn)的LEACH協(xié)議，可以解決網(wǎng)絡(luò)上區(qū)域分布的問(wèn)題，從而來(lái)解決傳感器的生存周期問(wèn)題。

1 改進(jìn)型LEACH分簇路由算法描述

1.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)有一個(gè)檢測(cè)區(qū)域是一個(gè)二維平面，考慮到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)密度比較大，本文做了如下假設(shè):

(1)假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)為非動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò);

(2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是感知半徑R1，一個(gè)是通信半徑R2，具有R2≥3R1條件來(lái)保證網(wǎng)路通信的連通性;

(3)網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)地部署在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)，能保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獲得自身和相鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息。

根據(jù)以上的假設(shè)，我們將在熱點(diǎn)區(qū)域中，采用進(jìn)一步的細(xì)化的過(guò)程，有效地檢測(cè)目標(biāo)，精細(xì)化分簇區(qū)域，這樣可以更加準(zhǔn)確地檢測(cè)目標(biāo)的出現(xiàn)。

1.2 改進(jìn)型的LEACH算法分析

改進(jìn)型的LEACH算法采用的通信方法是與LEACH一樣的方式，但是改進(jìn)型LEACH更多的是從區(qū)域的差異性，區(qū)域的對(duì)稱性的角度出發(fā)。

1.2.1區(qū)域的差異性

在“熱點(diǎn)區(qū)域”中，傳感器接受到的數(shù)據(jù)比較多，而節(jié)點(diǎn)對(duì)于接受的數(shù)據(jù)要進(jìn)行處理，在處理的過(guò)程中，不斷有新的數(shù)據(jù)進(jìn)入到熱點(diǎn)區(qū)域中，這就導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)的承載能力不斷增加，就容易造成時(shí)間上的網(wǎng)絡(luò)延遲，從而消耗了時(shí)間和能量。在“非熱點(diǎn)區(qū)域”中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要接受的數(shù)據(jù)相對(duì)與“熱點(diǎn)區(qū)域”來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)接受的數(shù)據(jù)量比較小，“非熱點(diǎn)區(qū)域”中的數(shù)據(jù)承載的傳輸壓力小。

1.2.2簇首選擇的均勻性

在無(wú)線傳感的分簇路由中，對(duì)于簇首部的選擇是非常重要的，改進(jìn)型的LEACH協(xié)議充分考慮了簇首部分布不均勻的問(wèn)題。在這個(gè)情況的基礎(chǔ)上，提出了2個(gè)方面的假設(shè):(1)合理將閾值增大，(2)合理調(diào)整通信半徑的大小。

(1)閾值增大

改進(jìn)型的LEACH協(xié)議主要有改變候選簇首。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，選候選簇首主要是通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)目來(lái)決定節(jié)點(diǎn)的概率，在每一次的候選簇首中，次數(shù)設(shè)定為2k，LEACH協(xié)議中當(dāng)選簇首的最大數(shù)目為k。增大閾值P(t)計(jì)算公式如下:

其中，N為節(jié)點(diǎn)的總數(shù);k為L(zhǎng)EACH協(xié)議的最佳分簇?cái)?shù);t為輪次數(shù);令f(t)=1表示節(jié)點(diǎn)i是否在最近的輪當(dāng)選過(guò)簇首。通過(guò)調(diào)整k的值來(lái)增加閾值。

(2)合理調(diào)整相應(yīng)的半徑

從前面的描述中可以發(fā)現(xiàn)，通信半徑R2是一個(gè)非常重要的因素，那么在“熱點(diǎn)區(qū)域”中的半徑是R2/2，非熱點(diǎn)的半徑是R2。在進(jìn)行調(diào)整半徑時(shí)，將“熱點(diǎn)區(qū)域”中的半徑設(shè)置為(R2/3，R2/2)，這是因?yàn)楹蜻x簇首節(jié)點(diǎn)處于這個(gè)半徑之內(nèi)可以保證節(jié)點(diǎn)不至于過(guò)于擁擠，從而保持簇首能夠均勻分布。

(3)簇首能量分析

改進(jìn)型的LEACH協(xié)議在進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，由于“熱點(diǎn)區(qū)域”的數(shù)據(jù)通信量的原因，采用比較大的簇首的時(shí)候，通信距離會(huì)比較長(zhǎng)，能夠消耗小。處于這些因素的考慮，采用比較小的簇首，這樣保證通信距離縮短，能量消耗比較小。同樣，對(duì)于“非熱點(diǎn)區(qū)域”也是同樣類似的情況。

1.2.3改進(jìn)型LEACH協(xié)議算法流程分析

1.2.3.1 算法描述

假定系統(tǒng)的簇首閾值為P(t);節(jié)點(diǎn)i通信半徑為Ri，能量為 Ei。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)集合:NS={nor，can，clu-head，fin-head}分別標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)是普通節(jié)點(diǎn)、候選簇首節(jié)點(diǎn)、簇首節(jié)點(diǎn)和做過(guò)簇首的普通節(jié)點(diǎn)。候選簇首節(jié)點(diǎn)集合ML={C1，C2，…Cn}，最終簇首節(jié)點(diǎn)的集合FinML={Ch1，Ch2，…Chn}。分為如下階段:對(duì)于任意傳感器節(jié)點(diǎn)xi，執(zhí)行如下算法:

(1)選舉候選簇首部節(jié)點(diǎn)

(2)選取正式簇首部節(jié)點(diǎn)

1.2.4節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

在簇首部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇時(shí)候，開(kāi)始節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)都是普通節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在一定的轉(zhuǎn)換條件下，節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換變成了不同的狀態(tài)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

在平臺(tái)上對(duì)改進(jìn)型前后的LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真。假設(shè)之前使用的隨機(jī)部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將通信半徑進(jìn)行了合理性的調(diào)整。設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境為:網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)區(qū)域?yàn)?0m*10m，每一個(gè)無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)的感知半徑是1m，在Matlab7.0環(huán)境下，采用主頻為2.2GHz的計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化。根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的面積以及傳感器的參數(shù)，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)固定位置上放置100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，采用和LEACH協(xié)議相同的能量模型:節(jié)點(diǎn)的初始能量為4J，傳輸能量:esle=100nJ/bit，efs=10pJ/bit/m2，emp=0.0010pJ/bit/m4，數(shù)據(jù)融合消耗能量EPA=5nJ/bit/signal。假設(shè)熱點(diǎn)和非熱點(diǎn)區(qū)域的分布以直線y=kx+b為分界線。曲線上方為“熱點(diǎn)區(qū)域”，下方為“非熱點(diǎn)區(qū)域”。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

(1)平均剩余能量對(duì)比:實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)表明改進(jìn)后LEACH協(xié)議在運(yùn)行過(guò)程中的平均剩余能量比LEACH協(xié)議剩余的要多。僅從能量消耗方面看，改進(jìn)型的LEACH可降低網(wǎng)絡(luò)消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。

(2)平均簇首數(shù)對(duì)比:實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)型的LEACH平均簇首數(shù)要小于LEACH協(xié)議，伴隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的不斷增大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加200節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，改進(jìn)型LEACH平均簇部首數(shù)與LEACH基本持平。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到400時(shí)，改進(jìn)型的LEACH協(xié)議平均簇首數(shù)已經(jīng)超過(guò)了LEACH協(xié)議簇首了。改進(jìn)后的LEACH協(xié)議的簇首的密度越大，效果就越趨理想化。

(3)不同密度下節(jié)點(diǎn)死亡輪數(shù)對(duì)比:實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)表明，節(jié)點(diǎn)數(shù)為300時(shí)，LEACH協(xié)議死亡時(shí)的輪數(shù)為5800，改進(jìn)型的LEACH協(xié)議死亡時(shí)的輪數(shù)為7300左右。改進(jìn)后的LEACH協(xié)議的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)候的輪數(shù)要高于LEACH協(xié)議，它從一定程度上延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的存在的時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的效果來(lái)看，改進(jìn)的LEACH協(xié)議的路由算法能降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。該算法通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)選擇簇首時(shí)考慮剩余能量和對(duì)通信半徑大小的控制，用來(lái)區(qū)分熱點(diǎn)、非熱點(diǎn)執(zhí)行不同的路由算法，從而可以更好地來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法的實(shí)現(xiàn)。

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［3］崔艷榮，李克清.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群優(yōu)化的數(shù)據(jù)查詢協(xié)議［J］.軟件學(xué)報(bào)，2010(4):225－233.