無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

摘要：LEACH協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種典型層次型拓?fù)淇刂扑惴?，許多層次型拓?fù)淇刂扑惴ǘ际腔?LEACH進(jìn)行研究和改進(jìn)的。研究了LEACH協(xié)議的工作原理，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，介紹了LEACH協(xié)議改進(jìn)的分類。使用 MATLAB對其節(jié)點(diǎn)分布、存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量、簇頭數(shù)量及能量消耗進(jìn)行了仿真實驗及分析說明。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng);路由協(xié)議;分簇;LEACH協(xié)議

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0062-03

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）被認(rèn)為是對我們的日常生活產(chǎn)生巨大影響的基礎(chǔ)技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多工業(yè)、商業(yè)和家庭應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，這些應(yīng)用涉及資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)、控制和監(jiān)控建筑物的設(shè)備（照明、通風(fēng)、安全系統(tǒng)、消防系統(tǒng)）、地球運(yùn)動檢測、森林野生動物監(jiān)測、安全系統(tǒng)、棲息地監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、車輛跟蹤、醫(yī)療應(yīng)用、水、電、熱和煤氣的自動抄表等[1-2]。

典型的WSN由許多傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通常是小而便宜的設(shè)備。技術(shù)進(jìn)步使得WSN的部署成為可能。WSN是一組通信節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)由四個實體組成：用于通過無線介質(zhì)交換消息的無線電模塊、一個或多個具有特定任務(wù)的傳感器（例如動作檢測或觸點(diǎn)激活）、負(fù)責(zé)所需處理的微控制器以及提供整體能量的能源。節(jié)點(diǎn)可以配備一個或多個不同種類的傳感器、嵌入式處理器、存儲器、無線電發(fā)射機(jī)，并且通常用電池操作。WSN的節(jié)點(diǎn)通過建立多跳無線網(wǎng)絡(luò)相互通信。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測期望的參數(shù)，一些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可以執(zhí)行一些數(shù)據(jù)預(yù)處理或數(shù)據(jù)聚合。但由于電池供電的節(jié)點(diǎn)具有有限的能量儲備，節(jié)點(diǎn)能量通常被認(rèn)為是非常關(guān)鍵的資源，必須非常節(jié)約地使用。此外，因為節(jié)點(diǎn)可能部署在敵對或不切實際的環(huán)境中，更換或重新充電電池可能是不可能或不方便的。因此用于WSN的應(yīng)用和協(xié)議應(yīng)該考慮優(yōu)化能量消耗以延長網(wǎng)絡(luò)壽命。而網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)的接收和傳輸是節(jié)點(diǎn)主要的能量消耗因素，因此路由協(xié)議在WSN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中起著非常重要的作用。高能效路由協(xié)議可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量，并優(yōu)化數(shù)據(jù)中繼的路徑和節(jié)點(diǎn)選擇[3]。

WSN主要有三種通信方案：直接通信、平面通信和分層通信。在直接通信中，每個服務(wù)節(jié)點(diǎn)直接與基站通信。使用平面通信方案的路由協(xié)議平等地對待所有節(jié)點(diǎn)，并且它們都參與路由。主要缺陷是靠近基站的節(jié)點(diǎn)比距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)更經(jīng)常參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為了提供有效的能量消耗，WSN使用簇，即分層通信方案。網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個簇，在每個簇中選擇一個節(jié)點(diǎn)作為簇頭作為控制中心。一個簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)與簇頭通信，簇頭直接與基站通信。第一個也是最常見的分層路由協(xié)議之一是LEACH（低能量自適應(yīng)分簇層次結(jié)構(gòu)）。

2 LEACH協(xié)議工作原理及特點(diǎn)

2.1 簇頭選舉及簇的形成

LEACH是最早為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的分層路由算法之一。根據(jù)以下規(guī)則，路由是兩跳的。每個節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)簇頭或常規(guī)傳感器節(jié)點(diǎn)。與sink節(jié)點(diǎn)的通信通過簇頭節(jié)點(diǎn)（CH，Cluster Header）進(jìn)行。每個時間間隔（輪次），節(jié)點(diǎn)以一定概率聲明自己是CH。節(jié)點(diǎn)選擇離他最近的信道。節(jié)點(diǎn)自己決定是否成為CH。節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)，且在0到1之間，此隨機(jī)數(shù)若小于閾值T（n），則該節(jié)點(diǎn)成為CH。閾值定義如下：

[T（n）=p1-p*（rmod（1/p））otherwise0n∈G] ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，p是簇頭占總節(jié)點(diǎn)數(shù)的百分比，G是最近1/p輪次中未成為簇頭的節(jié)點(diǎn)集合，r是當(dāng)前輪次數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)自己組織形成多個簇，每一輪重組都會重新生成發(fā)簇。只有簇頭，即信道控制器可以與基站通信，節(jié)點(diǎn)使用信道控制器作為傳遞數(shù)據(jù)的路由。簇頭收集、融合、壓縮和傳輸接收到的數(shù)據(jù)，以此提高信道利用率及降低節(jié)點(diǎn)的能耗。

為了讓其他的非簇頭節(jié)點(diǎn)加入簇，因此節(jié)點(diǎn)成為簇頭以后，需要將自己成為簇頭以及位置坐標(biāo)等信息廣播給周圍節(jié)點(diǎn)。其他非簇頭節(jié)點(diǎn)接收到多個簇頭的廣播消息后，計算與簇頭的距離，向距離最近的簇頭發(fā)送請求加入的消息。簇頭接收到請求消息后，采用TDMA復(fù)用方式，為各個簇成員分配時分復(fù)用的時隙，并將此時間表廣播給所有簇成員。此時進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳輸數(shù)據(jù)階段。在穩(wěn)態(tài)階段，節(jié)點(diǎn)在分配的時隙期間向接收器傳輸數(shù)據(jù)，否則它們保持休眠。

2.2 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸

簇形成后，節(jié)點(diǎn)采用TDMA的復(fù)用方式向簇頭發(fā)送自己收集的數(shù)據(jù)。為了避免沖突，每個非簇頭節(jié)點(diǎn)都在固定的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)傳輸，則非簇頭節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，不接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，減少能量消耗。但簇頭需要隨時接收節(jié)點(diǎn)的信息，所以簇頭節(jié)點(diǎn)不能休眠，必須始終維持在活躍狀態(tài)。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)收到簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，要把數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。由于接收和發(fā)送過程是能耗的主要來源，因此簇頭需要去掉冗余數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)信息來降低能耗。當(dāng)前輪次結(jié)束以后，為了均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，網(wǎng)絡(luò)需要重啟，開始新一輪的循環(huán)：重新選擇簇頭、節(jié)點(diǎn)加入簇以及數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

2.3 LEACH協(xié)議分析及改進(jìn)策略

1）優(yōu)點(diǎn)分析

LEACH采用網(wǎng)絡(luò)中通用的分層的思想，將節(jié)點(diǎn)劃分為多個不同大小的簇，每個簇由簇頭統(tǒng)一管理，負(fù)責(zé)管理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)以及收集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少能耗。

LEACH采用隨機(jī)的方式選舉簇頭，且會周期性的重新選擇簇頭。采樣這種策略可以使每個節(jié)點(diǎn)都有平等的機(jī)會當(dāng)選簇頭，且定期輪換，不會因某一個節(jié)點(diǎn)長時間擔(dān)任簇頭而耗費(fèi)過多能量而死亡。因此這種將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)平均分配的思想可以延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

2）缺點(diǎn)及改進(jìn)

LEACH協(xié)議雖然簡單，但其假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)具有相同的能力和相同的剩余能量水平，這一點(diǎn)是不符合實際的。實際網(wǎng)絡(luò)由于每個節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置不同，傳輸數(shù)據(jù)不同，因此能量損耗不同，能量消耗大的節(jié)點(diǎn)容易導(dǎo)致電池快速耗盡。LEACH協(xié)議可以從以下幾個方面進(jìn)行，以增加無線傳感網(wǎng)的生存時間：（1）簇頭選擇;（2）多跳數(shù)據(jù)傳輸;（3）異構(gòu)。支持節(jié)點(diǎn)間的異構(gòu)性;（4）基于鏈。專注于節(jié)點(diǎn)間鏈的構(gòu)建;（5）其他：移動性、安全性、備件管理、特定應(yīng)用、群集半徑固定。

目前LEACH協(xié)議主要的改進(jìn)如下：（1）兩跳路由。一些簇頭可能離基站很遠(yuǎn)，因此傳輸可能會消耗大量能量。而簇頭的數(shù)量是預(yù)定義的，固定的，選定的數(shù)量取決于節(jié)點(diǎn)分布。實際形成的簇頭數(shù)量可能不夠，并且簇的形成可能不是最佳的。所以可以動態(tài)調(diào)整簇頭的數(shù)量以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。同時可以添加多跳傳輸，將原來的LEACH改為多跳協(xié)議。多跳版本的設(shè)計通?；趦蓚€假設(shè)之一：降低功耗，減少流量或混合。（2）公式（1）中定義的閾值T（n）在選擇簇頭時沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量水平，都按相同的閾值選擇，這是不合適的。在網(wǎng)絡(luò)新建時，每個節(jié)點(diǎn)能量都相同，可以采用相同的閾值選取簇頭。在每一輪的數(shù)據(jù)傳輸中，所有節(jié)點(diǎn)都參與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，每個節(jié)點(diǎn)消耗的能量不同，有些節(jié)點(diǎn)可能已經(jīng)死亡，有的節(jié)點(diǎn)可能能量很低，不能參與簇頭選擇。因此在整個網(wǎng)絡(luò)生存初期和后期，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量情況可能差異很大，因此可以采用根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的多少來進(jìn)行簇頭選擇，而不是按固定的閾值采用隨機(jī)選擇方式[5-6]。

3 仿真及結(jié)果分析

假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都是相同的、靜態(tài)的，并且具有相同的初始能量，且能量有限。節(jié)點(diǎn)是靜止的，在各個方向上發(fā)送和接收信號的能量消耗相同。節(jié)點(diǎn)保持在傳輸范圍內(nèi)，都具有數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)功能。所有實現(xiàn)LEACH協(xié)議的節(jié)點(diǎn)都被配置為選擇10%的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。

LEACH協(xié)議用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，在100*100的區(qū)域內(nèi)部署100個傳感器節(jié)點(diǎn)，基站節(jié)點(diǎn)在方形區(qū)域的四個頂點(diǎn)（0，0）、（0，100）、（100，0）、（100，100）。假設(shè)簇頭節(jié)點(diǎn)占全部節(jié)點(diǎn)的百分比p=0.1，節(jié)點(diǎn)初始能量E0=1J，收發(fā)電路損耗50E-9J，數(shù)據(jù)融合損耗1.3E-16J，控制信息大小25B，數(shù)據(jù)信息大小4000B。

當(dāng)最大循環(huán)輪數(shù)RMAX分別取500、800、1000時，仿真結(jié)果如圖1-圖4所示。圖1中，綠色*表示普通節(jié)點(diǎn)，紅色+表示死亡節(jié)點(diǎn)，黑色五角星表示簇頭。

（a）RMAX=500

（b）RMAX=800

（c）RMAX=1000

由圖1可知，當(dāng)RMAX=500時，死亡節(jié)點(diǎn)占極少數(shù)，隨著RMAX逐漸增大，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)不斷增多，當(dāng)RMAX=1000時，絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)為死亡節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能正常工作。由圖2-圖3可知，當(dāng)RMAX逐漸增大，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)和當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)數(shù)呈較為快速的降趨勢，與簇頭占比為恒定值有關(guān)。由圖4可知，當(dāng)沒有死亡節(jié)點(diǎn)或死亡節(jié)點(diǎn)較少時，網(wǎng)絡(luò)剩余能量和RMAX的取值呈線性下降關(guān)系，當(dāng)死亡節(jié)點(diǎn)逐漸增加，網(wǎng)絡(luò)剩余能量的下降速度變緩，這是由于存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，則相應(yīng)的能耗也減少的更慢。

4 總結(jié)

在討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法時，簇頭選擇和能量消耗是最重要的因素。本文詳細(xì)討論了LEACH協(xié)議的工作原理，并介紹了LEACH協(xié)議改進(jìn)的分類。并對LEACH協(xié)議進(jìn)行了仿真，從節(jié)點(diǎn)分布、存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量、簇頭數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)剩余能量進(jìn)行了分析。未來的工作將研究如何克服LEACH協(xié)議的缺點(diǎn)，提高無線傳感網(wǎng)的生存時間及傳輸效率。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2021-03-20

作者簡介：唐泉（1981—），女，四川南充人，講師，碩士，主要研究方向為無線傳感網(wǎng)、智能網(wǎng)絡(luò)。