基于LEACH協(xié)議與蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

朱佳煦

摘要：無線傳感器領(lǐng)域的所有關(guān)鍵技術(shù)中，路由協(xié)議一直是研究熱點(diǎn)，采用合適的路由協(xié)議能夠有效降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗以延長網(wǎng)絡(luò)壽命。LEACH作為經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，具有重要研究意義。傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議采用隨機(jī)簇頭選舉方法與唯一的單跳路由策略，在算法運(yùn)行過程中存在許多不必要的能源消耗，鑒于此，提出一種新的有效路由協(xié)議，即靜態(tài)分簇多跳按需路由協(xié)議（OCMR）。它是一個(gè)按需路由協(xié)議，僅在協(xié)議運(yùn)行首輪選定一定數(shù)量的簇頭；在數(shù)據(jù)傳輸階段，采用一種基于蟻群算法的單跳結(jié)合多跳的路由方法。Matlab仿真實(shí)驗(yàn)證明，新協(xié)議在節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗與延長網(wǎng)絡(luò)壽命方面優(yōu)于傳統(tǒng)LEACH協(xié)議。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH；蟻群算法；按需路由協(xié)議

DOIDOI：10.11907/rjdk.171770

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011021404

0引言

無線傳感器系統(tǒng)由隨機(jī)分布且數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)與一個(gè)基站組成[34]。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常分布于不同的環(huán)境用以收集環(huán)境或物理參數(shù)，并將數(shù)據(jù)送回基站滿足網(wǎng)絡(luò)使用者的需求。匯聚節(jié)點(diǎn)作為WSN連接外網(wǎng)的橋梁，通常是持續(xù)供能的，并且其數(shù)據(jù)加工與傳輸能力也遠(yuǎn)優(yōu)于普通傳感器節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)一旦被放置，通常無法更換或?yàn)槠涑潆?。因此，WSN較傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)有能源上的限制，在設(shè)計(jì)WSN路由協(xié)議時(shí)節(jié)點(diǎn)的能源有效性必須優(yōu)先考慮。WSN能源管理相關(guān)文獻(xiàn)[58]指出，數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)加工與無線傳輸是WSN能耗的主要組成。本文將WSN的路由協(xié)議作為主要研究對(duì)象，由于WSN系統(tǒng)服務(wù)于各不相同且特殊的環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，需要將其服務(wù)的應(yīng)用納入考慮。可將無線路由協(xié)議分為以下兩類[9]：①主動(dòng)路由協(xié)議：通常運(yùn)用于節(jié)點(diǎn)需要一直反饋其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的WSN應(yīng)用上，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要周期性地打開無線收發(fā)器，感知并發(fā)送數(shù)據(jù)，保證應(yīng)用能夠時(shí)刻接收到數(shù)據(jù)；②按需路由協(xié)議：與主動(dòng)路由協(xié)議大致相同，區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳輸階段，在這類協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用需要，僅在需要時(shí)才會(huì)打開無線收發(fā)器建立數(shù)據(jù)傳輸路由，其余時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.1節(jié)點(diǎn)存活率

圖3為LEACH與OCMR在死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)方面的性能比較。由于LEACH算法采用概率選舉簇頭的方式有效地將全網(wǎng)絡(luò)的能耗負(fù)載平均得分配給網(wǎng)絡(luò)中的所有簇頭，然而它缺乏對(duì)能量過低節(jié)點(diǎn)的保護(hù)措施，因此當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡后，節(jié)點(diǎn)會(huì)呈線性相繼死亡；而OCMR運(yùn)用靜態(tài)優(yōu)化分簇及簇頭輪換機(jī)制保證只有能量大于簇內(nèi)平均水平的簇頭才有機(jī)會(huì)當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，這一機(jī)制可避免節(jié)點(diǎn)過早死亡現(xiàn)象。由圖3可以看出，OCMR的穩(wěn)定域比LEACH增加了近65%。

圖3每輪死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)

3.2平均節(jié)點(diǎn)剩余能量

平均節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)比如圖4所示，可以明顯看出，OCMR優(yōu)于LEACH協(xié)議。這是因?yàn)?，上文提到WSN能耗主要來源于數(shù)據(jù)傳輸，而LEACH協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸方面采用單跳作為所有簇頭節(jié)點(diǎn)的路由方式，則根據(jù)無線電模型能量計(jì)算公式，遠(yuǎn)距離傳輸較近距離傳輸將大大增加節(jié)點(diǎn)能耗，對(duì)網(wǎng)絡(luò)平衡性十分不利。因此，在OCMR中運(yùn)用反應(yīng)式路由控制數(shù)據(jù)傳輸量及蟻群算法得到的多跳結(jié)合單跳的路由方式優(yōu)化傳輸路徑，不僅減少了數(shù)據(jù)的通訊量，而且優(yōu)化了數(shù)據(jù)的傳輸路由。因此，OCMR能保證更均衡且更有效的能量消耗。

圖4平均節(jié)點(diǎn)剩余能量

4結(jié)語

本文為WSN提出了一種新的分簇式路由協(xié)議OCMR，采用靜態(tài)分簇與基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的簇頭輪換機(jī)制，減少了重復(fù)建簇的能量花銷，保護(hù)了節(jié)點(diǎn)過早死亡，并通過設(shè)置閾值的方式控制數(shù)據(jù)的傳輸量，同時(shí)使用基于蟻群算法的單跳結(jié)合多跳的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效避免了長距離傳輸所造成的能量耗散。最后將OCMR與經(jīng)典的LEACH協(xié)議用Matlab進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明，OCMR在節(jié)能、節(jié)點(diǎn)存活率以及提高網(wǎng)絡(luò)平衡性方面優(yōu)于LEACH協(xié)議。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）endprint