基于能量收集技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析仿真

張俊超　柯峰

摘 要：本文將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量采集模型進(jìn)行綜述，并對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的兩種路由協(xié)議進(jìn)行仿真與比較，LEACH路由協(xié)議和HEED路由協(xié)議進(jìn)行分析比較，HEED協(xié)議是基于LEACH協(xié)議的一種改進(jìn)協(xié)議。LEACH協(xié)議沒(méi)有能量意識(shí)，HEED在簇頭選舉階段引入能量因素，節(jié)點(diǎn)生存周期明顯有所延長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；能量采集模型；LEACH協(xié)議；HEED協(xié)議

1 引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是一種基于無(wú)線通信的字組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)自身的數(shù)據(jù)傳遞采用多跳通信。微型傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知，收集和處理網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。其具有低功耗，低成本，分布式工作，有自組織能力等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)采用普通電池供電，電池的壽命決定了WSN的生命周期。WSN的能量采集成為了目前制約WSN大規(guī)模使用的最大因素。目前主要采用的工作模式為采取地占空比的周期性工作方式。占空比越低，節(jié)能越顯著。但節(jié)能與延時(shí)等性能之間的矛盾越尖銳。對(duì)于具有環(huán)境采能的WSN，結(jié)合節(jié)點(diǎn)能量采集技術(shù)來(lái)研究具有能量與采集感知的WSN的分簇路由問(wèn)題，將會(huì)取得更好得能效和收益。

2 能量采集模型

目前能量收集技術(shù)已逐漸成熟，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠從環(huán)境中收集能量。其中，最常用的有太陽(yáng)能電池技術(shù)。

3 路由協(xié)議

3.1 LEACH路由協(xié)議

Leach是一種典型的分簇路由協(xié)議算法。它在每輪分簇中生成的cutout分布式隨機(jī)的。主要過(guò)程如下：節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0～1之間的隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)小于閾值T（n），則向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己的簇頭的信息。如果該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)當(dāng)選過(guò)簇頭，則需把閾值設(shè)為0，則此節(jié)點(diǎn)就不會(huì)再當(dāng)選為簇頭。對(duì)于為當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)，則以T（n）來(lái)決定是否當(dāng)選。隨著當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，剩余節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的閾值隨之增大，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率增大。極端情況，當(dāng)只剩一個(gè)節(jié)點(diǎn)為當(dāng)選是，T（n）=1，表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)一定當(dāng)選。

T（n）的公式為：

其中，P是簇頭在所有節(jié)點(diǎn)中所占百分比，r是選舉輪數(shù)， 代表這一輪循環(huán)中當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。G是這一輪循環(huán)中未當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭之后，即將自己當(dāng)選新簇頭的消息發(fā)布給其它節(jié)點(diǎn)。非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己與簇頭之間的距離來(lái)選擇加入最近的簇，并告知該簇頭。當(dāng)簇頭收到所有的加入信息后，就產(chǎn)生一個(gè)TDMA定時(shí)信息，并且通知該簇中所有節(jié)點(diǎn)。為了避免附近簇的信號(hào)干擾，簇頭可以決定本組中的節(jié)點(diǎn)所用的CDMA編碼。

3.2 HEED路由協(xié)議

LEACH協(xié)議有效運(yùn)行需要前提條件：一直成簇初期，所有節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量相等；二是簇形成后，消耗大致相同的能量。首輪選舉簇頭是，條件一可以得到滿足，但在能量收集的模型后，之后的每一輪都飽含有有能量采集技術(shù)得到的非均勻分布的能量。條件二也因能量收集技術(shù)而無(wú)法得到滿足。因此需要設(shè)計(jì)具有能量意識(shí)的路由。

LEACH提供了一個(gè)有效的分布算法，但未考慮簇規(guī)模的隨機(jī)性及能量收集導(dǎo)致的剩余能量不同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量完全相同的假設(shè)會(huì)導(dǎo)致能量很低的節(jié)點(diǎn)以不可忽略的概率當(dāng)選簇頭，從而導(dǎo)致過(guò)早死亡。HEED協(xié)議在簇頭選舉階段引入能量因素，將閾值T（n）修改為：

其中，為節(jié)點(diǎn)剩余能量決定的閾值自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)。

其中，En_int為節(jié)點(diǎn)的初始能量，En_current為節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量。

4 LEACH協(xié)議與HEED協(xié)議的仿真對(duì)比

仿真過(guò)程中假定節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100m*100m的區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)具有太陽(yáng)能能量采集裝置，節(jié)點(diǎn)分布如圖。匯聚點(diǎn)位于（-5m，-5m）的位置。

隨著時(shí)間的推移，傳感器節(jié)點(diǎn)間的能量逐漸分布不均，并且出現(xiàn)了某些傳感器節(jié)點(diǎn)的量耗盡的情況，此時(shí)，簇首節(jié)點(diǎn)的選擇也根據(jù)不同協(xié)議進(jìn)行不同的選擇過(guò)程。

LEACH協(xié)議并無(wú)能量意識(shí)，因此在具有能量收集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其節(jié)點(diǎn)生存周期較短。HEED協(xié)議具有能量意識(shí)，因此在具有能量收集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其節(jié)點(diǎn)生存周期較長(zhǎng)。由于現(xiàn)有能量收集技術(shù)尚未成熟，具有能量意識(shí)的HEED并不能特別明顯地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。但隨著對(duì)能量采集技術(shù)的深入研究，具有能量意識(shí)的路由協(xié)議的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯得顯現(xiàn)。

5 結(jié)論

由于LEACH假定在最初的簇頭選擇回合中，所有的節(jié)點(diǎn)都攜帶相同的能量，并且每個(gè)成為簇頭的節(jié)點(diǎn)都消耗大致相同的能量。因此，協(xié)議不適合節(jié)點(diǎn)能量不均衡的網(wǎng)絡(luò)。而為了實(shí)現(xiàn)節(jié)電壽命的延長(zhǎng)，通常需要引入能量采集模型，各個(gè)節(jié)電的能量無(wú)法滿足均衡的條件，因此使用LEACH協(xié)議會(huì)使節(jié)電的壽命縮短。HEED協(xié)議依賴節(jié)電的剩余能量，具有較高剩余能量的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率較高，算法收斂速度也較快，相對(duì)LEACH協(xié)議性能明顯更優(yōu)。但為了形成最優(yōu)的路由協(xié)議，需要對(duì)能量到達(dá)采集模型進(jìn)行深入研究，才能根據(jù)能量剩余來(lái)確定簇頭，優(yōu)化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。