摘 要:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是通過(guò)攜帶能量有限的電池供電，因此如何有效利用能量，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生命周期是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)首要研究的問(wèn)題。為了達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗的目的，本文在第一順序無(wú)線電模型的基礎(chǔ)上利用能量消耗的關(guān)系得到了典型分簇路由協(xié)議LEACH的最佳建簇概率。研究結(jié)果表明，當(dāng)分簇?cái)?shù)目小于最佳建簇?cái)?shù)目時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)每輪消耗的總能量就會(huì)以指數(shù)方式增加，說(shuō)明確立最佳建簇?cái)?shù)目可以降低網(wǎng)絡(luò)能耗，從而提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體生存時(shí)間。

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); LEACH; 簇; 能量消耗

中圖分類(lèi)號(hào):TN915.04-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)21-0028-02

Optimum Probability of Clustering Establishing in LEACH Protocol

ZHANG Rui-hua1， GAO Rui2， FAN Chun-rong3

(1. Xi’an Aerotechnical College， Xi’an 710077， China; 2. Baoji University of Arts and Sciences， Baoji 721007， China;

3.The Design Research Institute， The Northwest Machine Co. Ltd.， Xi’an 710119， China)

Abstract: Since the power of the node is supplied by battery with finite energy， how to make use of energy effectively and extend the life period of the nodes is the key issue in the research of wireless sensor network. The optimum probability of clustering establishing for the typical clustering protocol LEACH is achieved by applying the relationship of energy dissipation based on the first order radio model to reduce energy consumption by the network. It shows that the energy consumed by the wireless sensor network in every cycle can increase exponentially when the number of clustering is lower than the number of the optimum clustering establishing， which means that the determination of optimum number of clustering establishing can reduce its energy consumption and improve the general life space of the wireless network.

Keywords: wireless sensor network; LEACH; cluster; energy consumption

收稿日期:2010-06-18

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)應(yīng)用比較廣泛，在LEACH協(xié)議中每輪都要重新選舉簇頭，而每輪傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的數(shù)目直接影響傳感器網(wǎng)絡(luò)每輪消耗的總能量，而該協(xié)議研究的物理基礎(chǔ)是第一順序無(wú)線電模型(First Order Radio Model)，本文就是在此模型的基礎(chǔ)上利用能量消耗的關(guān)系來(lái)得到最佳建簇概率。

1 LEACH協(xié)議簡(jiǎn)介

LEACH[1]協(xié)議是由Heinzelman等人最早提出的一種經(jīng)典的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議，后續(xù)的分簇協(xié)議大都基于LEACH協(xié)議，LEACH將均勻分布在檢測(cè)區(qū)域的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，在每一簇中，有一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為簇頭節(jié)點(diǎn)，用于管理或控制整個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)成員節(jié)點(diǎn)之間的工作，負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集和數(shù)據(jù)的融合處理以及簇間轉(zhuǎn)發(fā)。

在每一簇中所有其他的節(jié)點(diǎn)均為成員節(jié)點(diǎn)。簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)只在屬于自己的時(shí)隙內(nèi)與簇頭通信，其他時(shí)間處于休眠狀態(tài)。簇頭節(jié)點(diǎn)匯集其成員的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。由于匯聚節(jié)點(diǎn)通常距離較遠(yuǎn)，簇頭必須消耗較多的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]。成員節(jié)點(diǎn)與簇頭之間的通信比起直接與匯聚節(jié)點(diǎn)通信消耗的能量要少的多。由于簇頭總是處于工作狀態(tài)，并且總是進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，因此其能量消耗是很大的。如果一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)起這種作用，其能量將會(huì)很快耗盡。因此，LEACH在運(yùn)行過(guò)程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過(guò)程。

2 第一順序無(wú)線電模型

第一順序無(wú)線電模型如圖1所示。無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度隨接收、發(fā)射電路之間的距離呈冪指數(shù)降低[3]。目前有兩種信道模型[4]:自由空間(Free Space)模型，發(fā)射功率呈d2衰減;多路徑衰減(Multi-Path Fading)模型，發(fā)射功率呈d4衰減。

圖1 第一順序無(wú)線電模型

LEACH協(xié)議采用的是自由空間模型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)均勻地分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的最佳概率是空間密度的函數(shù)。這種情況下分簇是最佳的，也就是能量消耗分布均勻時(shí)，總能量消耗最小。在距離d上傳輸L b的數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的能量為[5]:

ETx(L，d)=LEelec+Lεfsd2， d≤d0

LEelec+Lεmpd4， d>d0

(1)

式(1)和圖1中:Eelec是發(fā)射電路或接收電路每發(fā)送或接收1 b信息所消耗的能量; εfs和εmp取決于信號(hào)放大器模型;V是由無(wú)線信道決定的常量，本式中依據(jù)距離的不同分別取2和4;d是發(fā)射電路與接收電路之間的距離。在d=d0時(shí)上面兩個(gè)等式相等，得到d0=εfs/εmp，接收L b的信息，無(wú)線電接收機(jī)要消耗的能量為[6]:

ERx=LEelec

(2)

3 最佳建簇概率

假定在M×M正方形區(qū)域內(nèi)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且節(jié)點(diǎn)是均勻分布的，并且任何節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)或到簇頭距離小于等于d0，這樣在一輪中簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗可用式(3)表示:

ECH=nk-1LEelec+nkLEDA+LEelec+Lεfsd2toBS

(3)

式中:k表示簇的個(gè)數(shù);EDA是簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合消耗的能量;dtoBS是簇頭到匯聚節(jié)點(diǎn)的平均距離。每個(gè)非簇頭節(jié)點(diǎn)僅需要將自己的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭，非簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量為:

EnonCH=LEelec+Lεfsd2toCH

(4)

式中:dtoCH是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離。假定節(jié)點(diǎn)是均勻分布的，可以表示為:

d2toCH=∫x=xmaxx=0∫y=ymaxy=0(x2+y2)ρ(x，y)dxdy=M22πk

(5)

式中:ρ(x，y)是節(jié)點(diǎn)分布密度函數(shù)。每一輪中，在一個(gè)簇內(nèi)消耗的總能量為:

Ecluster≈ECH+nkEnonCH

(6)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)消耗的總能量為:

Etot=L[2nEelec+nEDA+εfs(kd2toBS+nd2toCH)]

(7)

式(7)對(duì)k求一階導(dǎo)數(shù)，并令其等于0，則可以得出最佳的成簇個(gè)數(shù):

kopt=n2πMdtoBS=n2π20.765

(8)

從簇頭到匯聚節(jié)點(diǎn)的平均距離為[7]:

dtoBS=∫Ax2+y21AdA=0.765M2

(9)

由式(8)發(fā)現(xiàn)，最佳成簇個(gè)數(shù)不取決于區(qū)域的大小，只與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)。如果相當(dāng)多的節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離大于d0，那么同理可以得到:

kopt=n2πεfsεmpMd2toBS

(10)

節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的最佳概率可用式(11)計(jì)算:

popt=kopt/n

(11)

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)LEACH協(xié)議中最佳成簇概率的無(wú)線傳輸能量消耗模型進(jìn)行分析，表明最佳建簇是很重要的，如果不是用最佳的方法分簇，當(dāng)成簇?cái)?shù)目大于尤其是小于最佳成簇?cái)?shù)目時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)每輪消耗的總能量就會(huì)以指數(shù)方式增加[8]。研究結(jié)果表明，最佳成簇概率只取決于節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。但是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到某一時(shí)間點(diǎn)時(shí)隨著第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)死亡，傳感器的數(shù)量逐漸減少，引起監(jiān)測(cè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布密度減少，導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，并且使得簇頭選舉過(guò)程變得不可靠[9]，這是在以后研究中可考慮的一個(gè)方向。LEACH協(xié)議將整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)分成一定數(shù)量的簇，當(dāng)簇形成后，簇內(nèi)的一些節(jié)點(diǎn)之間的距離比較近，相近的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的區(qū)域一般是同一區(qū)域，所以監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)也一樣，這樣就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)冗余[10]。在產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余的同時(shí)，也會(huì)耗費(fèi)節(jié)點(diǎn)的能量，所以引進(jìn)數(shù)據(jù)融合技術(shù)也是將來(lái)研究的一個(gè)方向。

參考文獻(xiàn)

[1]HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A， BALAKRISHNAN H. Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks [C]//International Conference on System Scineces. Hawaii: IEEE Press， 2000: 1-10.

[2]孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[3]趙彤，郭田德，楊文國(guó).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗均衡路由模型及算法[J].軟件學(xué)報(bào)，2009，20(11):3023-3033.

[4]MANJESHAWR A， AGRAWAL D P. TEEN: a routing protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks [C]//2001 15th Parallel and Distributed Processing Symposium Proceedings. San Francisco: IEEE Computer Society， 2001: 2009-2015.

[5]蔣鈴鴿.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2008.

[6]CARDEI M， WU J. Energy-efficient coverage problems in wireless Ad-Hoc sensor networks [J].Computer Communications，2006，29(4):413-420.

[7]喬俊峰，劉三陽(yáng)，曹祥宇.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)密度的簇算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2009，36(12):46-49.

[8]XIAO D B， WEI M J， ZHOU Y. Secure-SPIN: secure sensor protocol for information via negotiation for wireless sensor networks [C]//1st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. Singapore: IEEE Press， 2006: 76-83.

[9]杜向黨，李亦洋，石秀華.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于類(lèi)的簇頭選擇協(xié)議改進(jìn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(7):1022-1026.

[10]路綱，周明天，余堃，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的壽命分析[J].軟件學(xué)報(bào)，2009，20(2):375-383.