基于位置的Leach協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

徐野　周賀賀

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)易受外界環(huán)境干擾考驗(yàn)著傳感器網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、極為有限的電池能量供給制約著網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，因此研究提高其魯棒性延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的算法變得尤為重要，傳統(tǒng)的Leach算法采用層次性的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過定期隨機(jī)形成的簇首轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在一定程度上均衡了簇首負(fù)載，卻沒有考慮剩余能量，基于位置的Leach算法，通過虛擬單元格，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的剩余能量，周期性的選擇新的簇首，進(jìn)一步均衡負(fù)載，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)魯棒性、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。

關(guān)鍵詞：簇首 Leach算法 虛擬單元格 魯棒性 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0010-02

以信息技術(shù)的飛速發(fā)展為基礎(chǔ)，人類加快了網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展進(jìn)程，由此復(fù)雜互聯(lián)系統(tǒng)與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)走進(jìn)了人們的生產(chǎn)生活，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)便順著這一潮流快速發(fā)展起來，廣泛應(yīng)用在軍事信息收集、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，生活服務(wù)等生活領(lǐng)域。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、目標(biāo)的定位等功能。在環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)視土壤濕度、溫度及空氣情況，通過跟蹤鳥類、小型動(dòng)物和昆蟲進(jìn)行種群復(fù)雜度的研究等。在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控患者的行動(dòng)等。在家電設(shè)備中，通過圖像傳感設(shè)備隨時(shí)監(jiān)控家庭安全情況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在方便人們生產(chǎn)生活的同時(shí)，其穩(wěn)定性的研究也日益受到重視，由于工作中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)和有限的電池作為電源的特點(diǎn)，其魯棒性和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間成為研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的路由算法

提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，除了提高傳感器及基站等硬件性能、增加無線傳感器電池能量外，還可以從改善傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬傻乃惴ㄈ胧郑浞掷靡延芯W(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件資源，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和網(wǎng)絡(luò)生命周期。

對(duì)于一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，比如檢測(cè)病人各種生理數(shù)據(jù)，傳感器覆蓋的范圍不是很大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也不是很多，傳統(tǒng)的平面路由協(xié)議便能滿足應(yīng)用需求，典型的泛洪算法[1]通過廣播的形式將數(shù)據(jù)通過分組發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)；定向擴(kuò)散[2]是一個(gè)基于數(shù)據(jù)為中心的，查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，傳感器節(jié)點(diǎn)只需要保存鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，不用維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息，這類算法在簡(jiǎn)單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用尚可，對(duì)于復(fù)雜的、覆蓋范圍比較廣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其傳感器端點(diǎn)要傳輸很長(zhǎng)的距離才能到達(dá)基站，實(shí)際通信中，數(shù)據(jù)的傳輸路徑可看做自由空間和多徑衰落信道，通信能量消耗和距離成正比，直接通信距離越遠(yuǎn)，所需發(fā)射功率就越大，能耗速度也就更快，從而縮短了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，因此采用層次型路由協(xié)議，通過簇首以信息中間傳遞的形式發(fā)送給基站可在一定程度上解決能耗過快的問題。

2 Leach算法

2.1 Leach算法簡(jiǎn)介

Leach算法通過定期以及在網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊后競(jìng)選簇首，并通過簇首轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)的形式將實(shí)時(shí)信息轉(zhuǎn)發(fā)給基站。在簇頭選擇上，傳感器通過隨機(jī)發(fā)射一個(gè)隨機(jī)數(shù)，網(wǎng)絡(luò)選擇發(fā)送小于某個(gè)特定數(shù)的傳感器作為簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)廣播自己當(dāng)選簇首的消息，同時(shí)非簇首成員接收消息，并選擇功率最大的簇首作為自己的從屬簇首，同時(shí)，通知簇首，簇首向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送TDMA時(shí)分序列，完成簇的確立，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，簇首接收來自簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，壓縮之后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，基站對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需要，基站可向簇首發(fā)送反饋信息，待工作特定時(shí)間后，重新進(jìn)行簇首的選擇、簇單元的確立、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 Leach算法相比平面路由算法的優(yōu)勢(shì)和自身不足

作為層次型路由算法最常見的一種，Leach算法和平面路由算法在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中在提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，在傳輸路徑上，平面路由算法都是將采集到的數(shù)據(jù)直接從傳感器傳輸?shù)交?，傳輸路徑?huì)很遠(yuǎn)，Leach算法則通過形成的簇首轉(zhuǎn)發(fā)傳感器終端采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，簇首將收集到的來自簇內(nèi)成員發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，壓縮后的數(shù)據(jù)再傳輸給基站。

Leach算法通過不斷更替簇首的形式把負(fù)載均衡到多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，但是在簇首選擇上，在每一輪循環(huán)內(nèi)，僅依據(jù)其是否當(dāng)選過簇首，卻沒有考慮形成的簇首分布情況，容易導(dǎo)致形成的簇首在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的某一區(qū)域過于集中，在別的區(qū)域簇首過于稀疏；其次，Leach算法中，只能通過簇首節(jié)點(diǎn)占網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比例p設(shè)置傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇首個(gè)數(shù)期望，卻不能準(zhǔn)確設(shè)置簇首個(gè)數(shù)，而當(dāng)預(yù)設(shè)值的簇首節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)很少時(shí)，形成的簇首個(gè)數(shù)不確定性將大大增加，甚至出現(xiàn)簇首為0的情況，這時(shí)Leach網(wǎng)絡(luò)將變成平面路由網(wǎng)絡(luò)。

3 基于地理位置的Leach協(xié)議

3.1 基于地理位置的Leach協(xié)議思想

考慮到Leach協(xié)議的不足，通過借鑒GAF算法[3]（geographic adaptive fidelity），依據(jù)節(jié)點(diǎn)的地理位置進(jìn)行分簇，該算法把監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干虛擬單元格，將節(jié)點(diǎn)按照位置信息劃入相應(yīng)單元格，每個(gè)單元格為一個(gè)簇單元，每個(gè)簇中只有簇頭節(jié)點(diǎn)保持活動(dòng)，其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這樣可以對(duì)各簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)選擇性的進(jìn)行休眠；同時(shí)，在選舉簇首的時(shí)候，將節(jié)點(diǎn)的剩余能量考慮進(jìn)來，達(dá)到了進(jìn)一步降低并均衡簇首節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期的目。

3.2 基于地理位置 Leach協(xié)議算法

其具體算法如下：設(shè)N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分布在面積為的監(jiān)測(cè)區(qū)域，各傳感器節(jié)點(diǎn)通過約束條件下最大似然估計(jì)來確定自身所處位置，以劃定的每一個(gè)虛擬單元格為一個(gè)單位，網(wǎng)絡(luò)在每一個(gè)虛擬單元格內(nèi)選擇本簇成員所屬的簇首，簇首的選擇主要依據(jù)虛擬單元格內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，簇成員節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送自身編號(hào)（包含簇單元編號(hào)）及自身剩余能量信息，基站對(duì)收到的信息統(tǒng)計(jì)，確定每個(gè)簇單元內(nèi)剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)作為本簇單元的簇首，簇內(nèi)成員收到信息后由簇首為本簇成員分配時(shí)隙，簇成員節(jié)點(diǎn)收到分配的時(shí)隙后，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首收到簇成員節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)時(shí)隙發(fā)來的信息后，對(duì)來自簇成員節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，壓縮后的信息包發(fā)送給基站。待網(wǎng)絡(luò)工作特定時(shí)間或者網(wǎng)絡(luò)受到外界攻擊基站沒有按時(shí)收到某個(gè)簇首發(fā)來的數(shù)據(jù)包或者簇首發(fā)來的數(shù)據(jù)包在某一短暫時(shí)間有大量簇成員時(shí)隙的消息缺失時(shí)，基站通知每個(gè)虛擬單元格內(nèi)的簇首，網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)簇單元重新選擇簇首，形成新的拓?fù)洹?/p>

3.3 基于地理位置 Leach協(xié)議算法評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)Leach算法通過根據(jù)所需簇首個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例，確定決定該節(jié)點(diǎn)是否當(dāng)選簇首節(jié)點(diǎn)的閥值，進(jìn)而選出網(wǎng)絡(luò)的簇首，非簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身位置選擇最優(yōu)的從屬簇首，確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。改進(jìn)后的Leach算法通過在基站收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)有大量節(jié)點(diǎn)時(shí)隙短時(shí)間內(nèi)信息為空時(shí)，網(wǎng)絡(luò)重新組建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性；通過虛擬單元格直接確定簇單元的個(gè)數(shù)及每個(gè)簇單元的成員，再在各自虛擬單元格內(nèi)選擇本單元的簇首，確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)簇首個(gè)數(shù)可以準(zhǔn)確設(shè)定，選出的簇首也不會(huì)出現(xiàn)集中于某一區(qū)域的現(xiàn)象，依據(jù)傳感器的剩余能量選出簇首，充分利用了有限的電池能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。因此，對(duì)于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于地理位置的Leach算法有更強(qiáng)的優(yōu)越性。

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