崔春莉

(太原旅游職業(yè)學(xué)院，山西太原030032)

目前，無線傳感器覆蓋問題主要分為定性覆蓋和隨機覆蓋兩種，在定性覆蓋中，研究的主要對象是如何使用最少的節(jié)點對目前的環(huán)境進行覆蓋;隨機覆蓋研究的是采用隨機部署的方式來對目前環(huán)境進行檢測。文獻［1］中描述了Howard等人將勢場理論應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)上，通過假設(shè)虛擬場和虛擬受力來進行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。文獻［2］中討論了如何利用節(jié)點的覆蓋冗余來延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

根據(jù)文獻［3］的LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議，能夠較好地解決能量負載的均衡問題，平衡各個節(jié)點的能量，達到降低網(wǎng)絡(luò)資源消耗的目的，從而有效合理地提高網(wǎng)絡(luò)的生存使用時間。但在實際的應(yīng)用中，并不是所有的傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能都是很好的，其中，一些傳感器網(wǎng)絡(luò)存在一定的差異性，這是因為出現(xiàn)了有一些區(qū)域的數(shù)據(jù)比較多，稱為“熱點區(qū)域”。任務(wù)是能夠及時地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，檢測目標(biāo);另一些區(qū)域的數(shù)據(jù)非常非常少，甚至是零，這些區(qū)域稱為“非熱點區(qū)域”。主要的任務(wù)是負載監(jiān)聽。導(dǎo)致產(chǎn)生這樣的原因是因為簇的分布不夠理想的原因，針對這樣的情況，本文提出了一種改進的LEACH協(xié)議，可以解決網(wǎng)絡(luò)上區(qū)域分布的問題，從而來解決傳感器的生存周期問題。

1 改進型LEACH分簇路由算法描述

1.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)有一個檢測區(qū)域是一個二維平面，考慮到實際網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點密度比較大，本文做了如下假設(shè):

(1)假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)為非動態(tài)網(wǎng)絡(luò);

(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點具有兩個參數(shù)，一個是感知半徑R1，一個是通信半徑R2，具有R2≥3R1條件來保證網(wǎng)路通信的連通性;

(3)網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點都隨機地部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)，能保證各個節(jié)點能夠獲得自身和相鄰節(jié)點的位置信息。

根據(jù)以上的假設(shè)，我們將在熱點區(qū)域中，采用進一步的細化的過程，有效地檢測目標(biāo)，精細化分簇區(qū)域，這樣可以更加準(zhǔn)確地檢測目標(biāo)的出現(xiàn)。

1.2 改進型的LEACH算法分析

改進型的LEACH算法采用的通信方法是與LEACH一樣的方式，但是改進型LEACH更多的是從區(qū)域的差異性，區(qū)域的對稱性的角度出發(fā)。

1.2.1區(qū)域的差異性

在“熱點區(qū)域”中，傳感器接受到的數(shù)據(jù)比較多，而節(jié)點對于接受的數(shù)據(jù)要進行處理，在處理的過程中，不斷有新的數(shù)據(jù)進入到熱點區(qū)域中，這就導(dǎo)致了節(jié)點的承載能力不斷增加，就容易造成時間上的網(wǎng)絡(luò)延遲，從而消耗了時間和能量。在“非熱點區(qū)域”中，傳感器節(jié)點需要接受的數(shù)據(jù)相對與“熱點區(qū)域”來說，節(jié)點接受的數(shù)據(jù)量比較小，“非熱點區(qū)域”中的數(shù)據(jù)承載的傳輸壓力小。

1.2.2簇首選擇的均勻性

在無線傳感的分簇路由中，對于簇首部的選擇是非常重要的，改進型的LEACH協(xié)議充分考慮了簇首部分布不均勻的問題。在這個情況的基礎(chǔ)上，提出了2個方面的假設(shè):(1)合理將閾值增大，(2)合理調(diào)整通信半徑的大小。

(1)閾值增大

改進型的LEACH協(xié)議主要有改變候選簇首。在無線網(wǎng)絡(luò)中，選候選簇首主要是通過增加節(jié)點的數(shù)目來決定節(jié)點的概率，在每一次的候選簇首中，次數(shù)設(shè)定為2k，LEACH協(xié)議中當(dāng)選簇首的最大數(shù)目為k。增大閾值P(t)計算公式如下:

其中，N為節(jié)點的總數(shù);k為LEACH協(xié)議的最佳分簇數(shù);t為輪次數(shù);令f(t)=1表示節(jié)點i是否在最近的輪當(dāng)選過簇首。通過調(diào)整k的值來增加閾值。

(2)合理調(diào)整相應(yīng)的半徑

從前面的描述中可以發(fā)現(xiàn)，通信半徑R2是一個非常重要的因素，那么在“熱點區(qū)域”中的半徑是R2/2，非熱點的半徑是R2。在進行調(diào)整半徑時，將“熱點區(qū)域”中的半徑設(shè)置為(R2/3，R2/2)，這是因為候選簇首節(jié)點處于這個半徑之內(nèi)可以保證節(jié)點不至于過于擁擠，從而保持簇首能夠均勻分布。

(3)簇首能量分析

改進型的LEACH協(xié)議在進行實現(xiàn)的過程中，由于“熱點區(qū)域”的數(shù)據(jù)通信量的原因，采用比較大的簇首的時候，通信距離會比較長，能夠消耗小。處于這些因素的考慮，采用比較小的簇首，這樣保證通信距離縮短，能量消耗比較小。同樣，對于“非熱點區(qū)域”也是同樣類似的情況。

1.2.3改進型LEACH協(xié)議算法流程分析

1.2.3.1 算法描述

假定系統(tǒng)的簇首閾值為P(t);節(jié)點i通信半徑為Ri，能量為 Ei。節(jié)點狀態(tài)集合:NS={nor，can，clu-head，fin-head}分別標(biāo)識節(jié)點是普通節(jié)點、候選簇首節(jié)點、簇首節(jié)點和做過簇首的普通節(jié)點。候選簇首節(jié)點集合ML={C1，C2，…Cn}，最終簇首節(jié)點的集合FinML={Ch1，Ch2，…Chn}。分為如下階段:對于任意傳感器節(jié)點xi，執(zhí)行如下算法:

(1)選舉候選簇首部節(jié)點

(2)選取正式簇首部節(jié)點

1.2.4節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換

在簇首部的節(jié)點進行選擇時候，開始節(jié)點的狀態(tài)都是普通節(jié)點，通過在一定的轉(zhuǎn)換條件下，節(jié)點之間的轉(zhuǎn)換變成了不同的狀態(tài)。

2 仿真實驗

2.1 實驗方案

在平臺上對改進型前后的LEACH協(xié)議進行仿真。假設(shè)之前使用的隨機部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將通信半徑進行了合理性的調(diào)整。設(shè)置仿真實驗的環(huán)境為:網(wǎng)絡(luò)檢測區(qū)域為10m*10m，每一個無線傳感器的節(jié)點的感知半徑是1m，在Matlab7.0環(huán)境下，采用主頻為2.2GHz的計算機進行仿真的網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化。根據(jù)檢測區(qū)域的面積以及傳感器的參數(shù)，在檢測區(qū)域內(nèi)固定位置上放置100個傳感器節(jié)點，采用和LEACH協(xié)議相同的能量模型:節(jié)點的初始能量為4J，傳輸能量:esle=100nJ/bit，efs=10pJ/bit/m2，emp=0.0010pJ/bit/m4，數(shù)據(jù)融合消耗能量EPA=5nJ/bit/signal。假設(shè)熱點和非熱點區(qū)域的分布以直線y=kx+b為分界線。曲線上方為“熱點區(qū)域”，下方為“非熱點區(qū)域”。

2.2 仿真實驗分析

(1)平均剩余能量對比:實驗得到的數(shù)據(jù)表明改進后LEACH協(xié)議在運行過程中的平均剩余能量比LEACH協(xié)議剩余的要多。僅從能量消耗方面看，改進型的LEACH可降低網(wǎng)絡(luò)消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存期。

(2)平均簇首數(shù)對比:實驗得到的數(shù)據(jù)表明，改進型的LEACH平均簇首數(shù)要小于LEACH協(xié)議，伴隨著節(jié)點數(shù)的不斷增大，當(dāng)節(jié)點數(shù)增加200節(jié)點的時候，改進型LEACH平均簇部首數(shù)與LEACH基本持平。當(dāng)節(jié)點數(shù)增加到400時，改進型的LEACH協(xié)議平均簇首數(shù)已經(jīng)超過了LEACH協(xié)議簇首了。改進后的LEACH協(xié)議的簇首的密度越大，效果就越趨理想化。

(3)不同密度下節(jié)點死亡輪數(shù)對比:實驗得到的數(shù)據(jù)表明，節(jié)點數(shù)為300時，LEACH協(xié)議死亡時的輪數(shù)為5800，改進型的LEACH協(xié)議死亡時的輪數(shù)為7300左右。改進后的LEACH協(xié)議的最后一個節(jié)點死亡時候的輪數(shù)要高于LEACH協(xié)議，它從一定程度上延長了網(wǎng)絡(luò)的存在的時間。

3 結(jié)束語

通過仿真實驗的效果來看，改進的LEACH協(xié)議的路由算法能降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。該算法通過傳感器節(jié)點選擇簇首時考慮剩余能量和對通信半徑大小的控制，用來區(qū)分熱點、非熱點執(zhí)行不同的路由算法，從而可以更好地來實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法的實現(xiàn)。

［1］How and A，M ataric M J Sukhatme G S Mobile Sensor Network Deployment Using Potential Fields a Distributed.Sealable Lolution to the Area Coverage Problem［A］.The 6th internation Conference on Distributed Autonom ous Robotic System s［C］.Fukuoka Japan Springer－ Verlag 2002 299－308.

［2］SLIJEPCEVIC S，POTKON JAK M.Power Efficient Organization of Wireless Sensoer Networks［C］//Proc of Intermational Conference on Communications Helsink i IEEE Comuntiaon Society，2001:472 －476.

［3］崔艷榮，李克清.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群優(yōu)化的數(shù)據(jù)查詢協(xié)議［J］.軟件學(xué)報，2010(4):225－233.