無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方案改進方法研究

李茂春，秦 峰，許建陽

（成都文理學(xué)院，四川 成都 610401）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方案改進方法研究

李茂春，秦 峰，許建陽

（成都文理學(xué)院，四川 成都 610401）

當(dāng)前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為研究熱點，其數(shù)據(jù)的傳輸安全性受到廣泛關(guān)注。文章提出了一種基于改進的LEACH協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方案，降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量損耗。

LEACH協(xié)議；傳感器；數(shù)據(jù)收集

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，及時有效地掌握相關(guān)信息十分重要，因此，信息收集技術(shù)的作用十分重要，應(yīng)用范圍較廣。在當(dāng)前應(yīng)用的信息收集技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）十分受關(guān)注，該項技術(shù)具有成本低、性價比高、能量消耗低及在任意環(huán)境中易分布，自由組成無線網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點，這使無線傳感器信息采集變得十分簡單。無線傳感器被廣泛應(yīng)用于壓力、溫度、定位等方面的信息采集。當(dāng)前傳感器信息采集協(xié)議包括LEACH協(xié)議、分簇協(xié)議、TEEN協(xié)議等。本文基于改進的LEACH協(xié)議對無線傳感器數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)進行研究。

1 mWSN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，可以采用確定性部署和隨機部署相結(jié)合的方式，隨機部署移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，固定傳感器參考節(jié)點采用確定性部署方式，這樣可以構(gòu)建比較穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時也能更好地使用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲的變化，以降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗。移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Mobile Wireless Sensor Network，mWSN）層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)被分成了大小均勻、數(shù)量固定的簇，并且每個簇中都一個固定參考節(jié)點，每個固定參考節(jié)點包含一個簇頭節(jié)點（Cluster）及多個簇內(nèi)成員節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)體系中的通信為簇內(nèi)成員節(jié)點與Cluster之間的通信、固定節(jié)點之間的通信。

圖1 mWSN的層狀結(jié)構(gòu)

在mWSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，一個監(jiān)測區(qū)域中需要同時部署n個傳感器節(jié)點，并且根據(jù)實際應(yīng)用需要，除了部署固定的m個傳感器節(jié)點（節(jié)點坐標(biāo)位置可知）之外，還需要在監(jiān)測區(qū)域中隨機部署n-m個移動節(jié)點（節(jié)點坐標(biāo)位置不可知）。通過分簇算法將WSN中的節(jié)點劃分成不同的簇和Cluster，每一個簇由一個Cluster、某個固定傳感器節(jié)點及多個簇內(nèi)成員節(jié)點組成，而且全部的固定節(jié)點形成一顆路由匯集樹，且該樹以Sink為根。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇－樹拓撲結(jié)構(gòu)中，各自的Cluster接收各自成員節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，Cluster將接收的數(shù)據(jù)融合后發(fā)送至相應(yīng)的固定節(jié)點，最終發(fā)送到Sink。由于需要經(jīng)過多個不固定節(jié)點，因此，Cluster在發(fā)送過程中將消耗很多能量，降低了網(wǎng)絡(luò)生存時間，因此，為了實現(xiàn)簇－樹拓撲結(jié)構(gòu)的能效消耗，需要確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑，以使整個mWSN有較好的數(shù)據(jù)吞吐量。

2 基于移動Sink的數(shù)據(jù)收集協(xié)議

為了對上文描述的缺陷進行彌補，降低數(shù)據(jù)傳輸時的能量消耗，本文采用移動Sink方案進行數(shù)據(jù)收集，讓Sink移動到簇頭附近進行數(shù)據(jù)收集，會大大節(jié)約簇頭的能量。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中采用改進的LEACH協(xié)議對節(jié)點進行分簇，并且采用蟻群算法尋找簇頭結(jié)點信息發(fā)送的最優(yōu)路徑，Sink沿著最優(yōu)路徑移動至簇頭附近收集數(shù)據(jù)，從而降低了傳送數(shù)據(jù)中的能量消耗。在此過程中還可以通過優(yōu)化確定移動Sink的最優(yōu)移動速度，這樣可以確保移動Sink收集到的數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)溢出的現(xiàn)象。

2.1 改進的LEACH協(xié)議

由于LEACH協(xié)議具有節(jié)點死亡速度快、簇頭能量消耗不均衡、節(jié)點能量不能充分利用等缺點，因此，需要對LEACH協(xié)議進行改進，提出了新的改進協(xié)議，改進主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）簇頭的選擇。對于門限值的確定加入了兩個新的元素：當(dāng)前節(jié)點未當(dāng)選為簇頭的輪數(shù)及剩余能量，改進之后的T(n)的計算公式如公式（1）所示。

公式（1）中，E0，Erest分別代表當(dāng)前節(jié)點的初始能量和剩余能量；p代表最理想的簇頭節(jié)點占總節(jié)點的百分比；Rs代表當(dāng)前節(jié)點未當(dāng)選為簇頭節(jié)點的輪數(shù)。

根據(jù)公式（1）可知，如果沒有當(dāng)選為簇頭的輪數(shù)Rs的值越大，且當(dāng)前節(jié)點的剩余能量Erest的值越大，則門限值T(n)也就越大，因此當(dāng)前節(jié)點當(dāng)選為簇頭節(jié)點的概率也就越高。節(jié)點當(dāng)選為簇頭之后，Rs的值為0，許多改進的門限值公式只考慮了Erest這個影響因素，而沒有考慮Rs這個影響因素，這樣會出現(xiàn)節(jié)點當(dāng)選為簇頭機會不均等的現(xiàn)象，本文對此進行改進，改進之后可以讓節(jié)點當(dāng)選為簇頭的機會更加平均。

（2）限制簇的大小。通過上述分析可知，簇頭的選擇同Leach一樣通過門限值和隨機數(shù)兩者的比較來確定節(jié)點是否可以成為簇頭，只不過對門限值的計算公式進行改進，因此，為了需要限制簇的大小降低熱點地區(qū)能量消耗的問題。簇頭節(jié)點的剩余能量和簇頭節(jié)點距離基站的距離兩個因素決定了簇的大小，距離基站遠說明簇成員多，距離基站近說明簇成員少，同時如果簇頭的剩余能量多則說明簇成員相對較多，反之簇成員相對較少。通過對距離基站近的簇頭節(jié)點進行設(shè)置使其形成比較小的簇，這樣就能降低每個簇中的能量消耗，能夠節(jié)省更多的能量承擔(dān)其他簇頭數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)消耗能量更加均衡。

（3）簇頭與基站之間的數(shù)據(jù)通信通過多跳路由來完成。實現(xiàn)過程：每個簇頭節(jié)點接收到簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)融合處理后，尋找距離自己最近的下一跳簇頭節(jié)點，下一跳簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)融合之后發(fā)送到距離基站更近的下一跳簇頭節(jié)點，如此往復(fù)，最后由距離最近的簇頭節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。

2.2 最優(yōu)路徑的搜索

螞蟻攜帶的報文中每個參數(shù)代表的意義如下：SrcAdd—源簇頭節(jié)點地址；Esum—螞蟻訪問過節(jié)點消耗的能量總和；SrcTime：出發(fā)時間；VisitedNode—已訪問過的節(jié)點；Ecost—能耗；：信息素；Eremain：剩余能量；Emin：鏈路最小剩余能量；下一跳概率；Eavg：鏈路平均能耗。

公式（2）中，τij代表Si，Sj在t時刻的信息素濃度；ηi,j代表Si，Sj間鏈路狀態(tài)啟發(fā)信息，定義為Si，Sj間的鏈路帶寬bandwidthij與Si，Sj間鏈路時延delayij的比值，即：

可用能量度?ij(t)，定義為：

公式（4）中，Eicost(t)代表Si到Sj傳送數(shù)據(jù)的能耗。Ei(t)remain代表S節(jié)點剩余能量。d(j,k)代表Sj與下一跳簇頭Sk的距離。d(i,j)代表Si，Sj間距離。分別代表每個因子的權(quán)重系數(shù)。

在螞蟻搜尋最優(yōu)路徑的過程中，鏈路的時延根據(jù)前向螞蟻攜帶的報文內(nèi)容計算得出，前向螞蟻到達下一跳簇頭節(jié)點之后對路由表進行更新，除此之外還要計算路徑搜尋中的能量耗損并記錄在路由表中，經(jīng)過多輪迭代之后，確定螞蟻搜尋的最優(yōu)路徑。

3 結(jié)語

本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方案進行改進，并且根據(jù)改進的LEACH協(xié)議及螞蟻算法最終確定最優(yōu)路徑，降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯模箓鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)吞吐能力更強，但是由于研究的時間有限，該數(shù)據(jù)采集策略可能在應(yīng)用中還會存在一些問題，后續(xù)將繼續(xù)對其進行研究，優(yōu)化該策略。

[1]YICK J, MUKHERJEE B, GHOSAL D. Wireless sensor network survey[J].Computer Networks, 2008（12）：2292-2330.

[2]POTDAR V, SHARIF A, CHANG E.Wireless sensor networks:a survey[C].Bradford：Proceedings of International Conference on Advanced Information Networking and Applications, 2009：636-641.

[3]李嬋嬋，解培中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種改進的Leach協(xié)議[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2013（10）：87-90，94.

Research on improved methods for wireless network data collection scheme

Li Maochun, Qin Feng, Xu Jianyang
（Chengdu College of Arts and Science, Chengdu 610401, China）

At present, wireless sensor network is becoming a research hotspot, and the security of data transmission has been paid more and more attention. In this paper, a kind of wireless sensor network data collection scheme based on the improved LEACH protocol is proposed in this paper , which reduced the energy loss in the process of data transmission.

LEACH protocol; sensor; data collection

李茂春（1983— ），男，四川雅安，碩士，助理研究員；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，嵌入式開發(fā)。