基于森林監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)的路由算法研究

唐春玲

摘要：森林防火是森林保護的重中之重，無線傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為森林關(guān)鍵氣象因子的實時監(jiān)測提供了先進的技術(shù)手段。在使用無線傳感網(wǎng)進行森林環(huán)境因子采集過程中，針對無線傳感網(wǎng)LEACH協(xié)議中簇頭節(jié)點能量消耗過快的缺陷，提出一種基于節(jié)點和鄰居節(jié)點剩余能量產(chǎn)生簇頭的路由算法，避免簇頭節(jié)點能量消耗過快的問題。仿真實驗表明，本算法在降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期上與LEACH協(xié)議比，具有更好的性能。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng);LEACH協(xié)議;簇頭

中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0030-02

森林資源是自然資源的重要組成部分，極易受到自然因素和人為因素的破壞造成重大損失。森林火災(zāi)是造成森林資源破壞的一大自然災(zāi)害，其突發(fā)性強、破壞性大且撲救工作十分困難。利用現(xiàn)代先進科學(xué)技術(shù)對森林進行檢測，是保護森林資源十分重要的一個措施。無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）是隨著無線通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種新型的數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[1]。無線傳感網(wǎng)最初主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，后來隨著技術(shù)的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)應(yīng)用于民用，主要用于城市交通管理、家庭保健、環(huán)境監(jiān)測、遠程控制等許多領(lǐng)域[2]。不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，WSN是由大量體積小、成本低、具有一定通信和計算能力的傳感器組成，其最大的優(yōu)勢是成本低、自組織。無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用電池供電，其能量、通訊距離、計算和存儲能力有限，因此如何設(shè)計高效的路由協(xié)議使得在保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的情況下盡可能減少能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[3]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy protocol，LEACH protocol）協(xié)議是第一個基于多簇結(jié)構(gòu)的層次路由協(xié)議，其后很多層次協(xié)議，如TEEN、PEGASIS等都是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也是應(yīng)用較廣泛較成熟的一種無線傳感器路由協(xié)議。它的基本思想是通過將網(wǎng)絡(luò)劃分為大小均等的簇，在每輪次開始時隨機選擇簇頭，使無線傳感網(wǎng)的能量損耗均勻分撥到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低曾哥網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。但是，LEACH沒有考慮能耗均衡問題，隨機簇頭的選擇可能造成網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點能量消耗不均，從而縮短整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期[4]。文獻[5]LEACH提出了第一個基于均勻分簇的路由算法，每輪隨機選擇簇頭，部分確保能耗均衡，但未能有效展開數(shù)據(jù)聚合。文獻[6]提出的HEED算法為了均衡簇間能量消耗，選出更加分布均勻的簇頭，在簇頭選擇中優(yōu)化了節(jié)點剩余能量，并根據(jù)主從關(guān)系形成了多個約束條件共同作用于簇頭的選擇，但沒有考慮簇內(nèi)節(jié)點的平均剩余能量。文本文在分析現(xiàn)有分簇路由協(xié)議特點和不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于森林監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)的路由算法。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)森林檢測工作的實際情況，監(jiān)控點（基站）通常設(shè)置在森林中交通、水、電相對便利的山路旁，傳感器節(jié)點通常在基站的一側(cè)。因此假定網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點具有如下特征：

（1）網(wǎng)絡(luò)中為高密度非均勻分布的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點部署后位置不再移動，每個節(jié)點具有唯一的網(wǎng)絡(luò)標識ID，可獲知自己的位置，且所有節(jié)點時間同步。（2）所有節(jié)點具有一定的初始能量，能量不可補充，能感知自己的剩余能量，具備數(shù)據(jù)融合功能，各節(jié)點獨立工作，不受其他節(jié)點的影響。（3）節(jié)點無線發(fā)射功率可控，即節(jié)點可以根據(jù)接收者距離的遠近調(diào)整其發(fā)射功率，也可根據(jù)接收信號的強度計算發(fā)送者到自己的近似距離。（4）基站位于正方形無線傳感網(wǎng)正上方Hm處，基站能量無限大。

基站附近的簇頭節(jié)點除了收集信息外，往往還要大量轉(zhuǎn)發(fā)的其余簇頭節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，能耗較大，為確保全網(wǎng)能耗均衡，首先對全網(wǎng)進行非均勻劃片，離基站越遠的子區(qū)域，面積越大，以減輕基站附近節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。令N個無線傳感器節(jié)點隨機分布在邊長為Lm的正方形區(qū)域中，將區(qū)域劃分為M1×M2個子區(qū)域，靠近基站的子區(qū)域?qū)挾群透叨茸钚。h離基站的子區(qū)域?qū)捄透咧饾u遞增。

能耗模型：根據(jù)傳輸距離d的不同，傳輸kbit信息時，發(fā)送能耗為：

ET（k，d）=ET-elec（k）+ET-trans（k，d）=? （1）

接受能耗為：

ER（k）=ER-elec（k）=kEelec? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中

ET-elec（k）=ER-elec（k）=kEelec? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

（4）

其中εfs和εmp是自由空間模型和多路衰減模型的信號衰減因子。kEelec是發(fā)送和接收kbit數(shù)據(jù)的消耗能量。本文僅計算通信能耗，忽略節(jié)點在計算和存儲等過程中的能耗。

2 算法描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域初劃分

將網(wǎng)絡(luò)劃分為寬度和高度均不相等的若干子區(qū)域，高度按照距離基站距離由近到遠等比增加的原則，寬度按照以基站橫坐標為中心子區(qū)域的中心，左右兩邊子區(qū)域的寬度均等比增加且對稱?；靖浇拇仡^節(jié)點往往要擔負起轉(zhuǎn)發(fā)其余簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)的任務(wù)，節(jié)點耗能過多容易過早死亡，因此令遠離基站的子區(qū)域面積越大，以減輕基站附近節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

2.2 簇頭選舉和成簇

同一子區(qū)域選取兩個簇頭分別為主次簇頭?？紤]到LEACH中簇頭競爭存在的不足，將同一子區(qū)域節(jié)點的剩余能量和鄰居節(jié)點的平均剩余能量的比值作為重要參數(shù)參與簇頭節(jié)點的競爭。首輪選舉距離子區(qū)域中心最近的節(jié)點為主、次簇頭。首輪數(shù)據(jù)收集完成后，各節(jié)點的剩余能量將不同。此時定義節(jié)點參與簇頭競爭參數(shù)s，令：

s（n）=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

當節(jié)點n的剩余能量大于其鄰居節(jié)點的平均能量時，根據(jù)其剩余能量和其當選過簇頭的輪數(shù)計算其簇頭競爭參數(shù)。其中，α、β為常系數(shù)，Ecurrent為節(jié)點n當前能量，Eave為鄰居節(jié)點的平均能量，M為已當選過簇頭的輪數(shù)。當節(jié)點n的剩余能量小于其鄰居節(jié)點的平均能量時，此節(jié)點不參與簇頭競爭，其競爭參數(shù)為0。每個子區(qū)域按照其節(jié)點簇頭競爭參數(shù)按照從大到小進行排序，s值最大的兩個節(jié)點為主次簇頭。主簇頭負責數(shù)據(jù)收集和融合，次簇頭負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。若下一輪簇頭與本輪簇頭是同一節(jié)點，則無需廣播。如果主、次簇頭至少有一個需要更新，則需在整個子區(qū)域進行廣播。則其余節(jié)點收到簇頭的廣播，根據(jù)距離主簇頭的遠近，選擇加入到某一簇頭中，簇頭收集完節(jié)點后不直接發(fā)送給基站而是選擇下一跳簇頭節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗證算法的性能，在MATLAB環(huán)境下建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。將100個傳感器節(jié)點隨機分布在100m×100m區(qū)域里，基站位于（50，150）處，采樣周期是10s。所有節(jié)點布置好后不再移動。在不考慮外界破壞因素的前提下，當節(jié)點能量為零時，該節(jié)點失效，同時第一個節(jié)點死亡時間為網(wǎng)絡(luò)生存期。將文中所提方法D_LEACH、LEACH和HEED進行比較，采用網(wǎng)絡(luò)生存期和網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗作為研究重點進行試驗仿真。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

網(wǎng)絡(luò)生存周期仿真如圖1所示。從表中可看出，文中所提方法能量消耗最低，網(wǎng)絡(luò)生存期得到了明顯的延長。

4 結(jié)語

無線傳感網(wǎng)中，不同的應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的要求有很大的差異性，需要設(shè)計針對于該應(yīng)用合理的路由協(xié)議。在室外森林監(jiān)控大型無線傳感網(wǎng)中，分簇算法需要進行多跳路由，LEACH協(xié)議采用的單跳路由不適合此種情景。本文設(shè)計了在室外森林監(jiān)控無線傳感網(wǎng)中適合大規(guī)模無線傳感網(wǎng)的路由設(shè)計方法。此方法在選取簇頭時充分考慮了節(jié)點和其鄰居節(jié)點剩余能量，對剩余能量低于鄰居平均剩余能量的節(jié)點進行保護，避免其成為熱點，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。同時在簇頭的選舉過程中，選取主簇頭和備用簇頭雙簇頭的方式，雙簇頭分工協(xié)作，也增強了整個網(wǎng)絡(luò)的效率和健壯性。同時不均勻劃分網(wǎng)絡(luò)，令原理基站的子區(qū)域面積越大，對基站附近的簇頭進行保護，避免其由于臨近基站不僅擔任匯聚本區(qū)域節(jié)點能量還轉(zhuǎn)發(fā)距離稍遠子區(qū)域的簇頭數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)中的能耗更加均衡。仿真結(jié)果表明本方法均衡了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

參考文獻

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Research on Routing Algorithms of Wireless Sensor Networks Based

on Forest Monitoring

TANG? Chun-ling

（College of Electronic Information Engineering，Chongqing technology and Business Institute，Chongqing? 400052）

Abstract：Forest fire prevention is the most important part in forest protection. The development of wireless sensor network technology provides advanced technical means for monitoring forest environment factor. In the process of collecting forest environmental factors using wireless sensor networks， the energy consumption of cluster head nodes is too fast， in LEACH protocol in wireless sensor networks. This paper proposes a routing algorithm based on the remainder energy of nodes and neighbors to generate cluster heads， which avoids the problem of excessive energy consumption of cluster heads. The simulation results show that this algorithm has better performance than LEACH protocol in reducing network energy consumption and prolonging network lifetime.

Key words：wireless sensor network;LEACH protocol; cluster head