劉智珺，李臘元，，楊少華

（1.武漢生物工程學(xué)院 計算機與信息工程系，湖北 武漢430415；2.武漢理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430063）

0 引 言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由算法的性能在很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的整體性能［1－2］。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點LEACH協(xié)議是第一個基于多簇結(jié)構(gòu)的層次型路由算法［3］，也是一種低功耗自適應(yīng)聚類路由算法［4］。

由于LEACH協(xié)議是基于多簇結(jié)構(gòu)的路由算法，在協(xié)議中引入了 “輪”的概念，在通信過程中，將通信過程劃分成輪，將簇的建立和信息的穩(wěn)定通信作為每輪的兩個階段。為了降低網(wǎng)絡(luò)能耗，穩(wěn)定通信階段時間一般比簇建立階段要長［5］。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通過自組織方式生成簇，采用一定的方法隨機選擇網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某些節(jié)點擔(dān)任簇頭［6］。在簇頭的選擇策略上LEACH協(xié)議采取對所有節(jié)點進行隨機選取的方式即輪換思想，這樣很大程度的提高了節(jié)點能量使用效率。但是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布隨機、不均衡，因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各簇內(nèi)部節(jié)點的數(shù)量也不均衡，文獻通過的實驗結(jié)果正是證明了這一問題［7－8］，因此對于LEACH協(xié)議的能耗問題可以從這點上進行考慮。

基于LEACH協(xié)議的問題，LEACH－C［9］是在 LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)的一個改進協(xié)議。協(xié)議采用中心控制的機制，在建立簇的時候，對于簇頭的選取由中心控制生成，通過此方法來形成簇，其簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量相對比較均衡。有了中心控制后簇頭和非簇頭節(jié)點的通信距離縮短了，從而降低了由簇內(nèi)節(jié)點與簇頭節(jié)點相互通信而產(chǎn)生的能量消耗，來達(dá)到降低網(wǎng)路能耗的目的［10］。

在LEACH－C協(xié)議中，選擇簇頭由中心控制，基站對所有節(jié)點的物理地址以及能量相關(guān)信息必須十分清楚，這樣對于完全自組織網(wǎng)絡(luò)不適用，因此LEACH－C協(xié)議的應(yīng)用有局限。以LEACH協(xié)議作為基礎(chǔ)，以非均勻分簇和雙簇頭路由作為改進思路，提出了新的降低網(wǎng)絡(luò)總能耗控制的LEACH－DC路由協(xié)議。

1 LEACH－DC路由協(xié)議的設(shè)計

雙簇頭傳送數(shù)據(jù)協(xié)議LEACH－DC （LEACH doublecluster）是以LEACH協(xié)議作為基礎(chǔ)進行改進得到的協(xié)議，基本改進思想是：在簇頭選擇時引入雙簇頭 （即簇頭與備選簇頭節(jié)點），在簇頭選擇時以控制能量作為出發(fā)點采取一定措施進行限制。對于簇頭節(jié)點的選擇采用周期選擇的方式，由于非均勻分簇，因而對簇內(nèi)節(jié)點、成簇規(guī)模有一定的限定，但從整體的網(wǎng)絡(luò)能耗角度上達(dá)到了均衡的效果，相應(yīng)的也就延長了整體網(wǎng)絡(luò)的生存時間，對于整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定起到較好的效果。LEACH－DC協(xié)議整個工作過程仍然使用了LEACH協(xié)議的分輪思想，對于每輪將其分成簇頭的選擇和簇的穩(wěn)定兩個階段。由于采用雙簇頭思想，在簇頭選擇階段中增加備選簇頭。備選簇頭是當(dāng)前簇頭的傳送數(shù)據(jù)的輔助節(jié)點，通過備選簇頭的引入減輕了簇頭傳遞數(shù)據(jù)的能耗，延長了簇的生存時間提高了傳送數(shù)據(jù)的效率。

1.1 簇頭節(jié)點的選擇

雙簇頭傳送協(xié)議LEACH－DC對于簇頭節(jié)點的選擇方式是：在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，對簇頭的候選節(jié)點提出一定的能量要求，同時對整個網(wǎng)絡(luò)的成簇數(shù)量也作出調(diào)整，提出簇頭和備選簇頭的概念。

在每輪的簇的穩(wěn)定階段，也就是傳遞數(shù)據(jù)階段，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點向簇頭節(jié)點傳送最后一數(shù)據(jù)的同時將本節(jié)點目前的剩余能量的信息同步傳送。簇頭節(jié)點收到能量信息后計算出本簇的剩余能量的平均值。基站則由接收到的各簇平均能量值可計算得出這個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量值。由sink廣播通知，在下一輪的簇頭選擇時，將把能量值作為選擇的參考依據(jù)，在能量超過平均能量值的節(jié)點中，對應(yīng)每個節(jié)點隨機的生成一個介于0－1之間的數(shù)據(jù)，再增加一個閾值T （n），若某個節(jié)點的隨機數(shù)小于閾值，則將其選定為新的簇頭節(jié)點［11］。閥值T （n）計算公式如下

式中：p——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭所占的比例，r——選擇簇頭時網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進行的輪數(shù)，G′——節(jié)點能量值不超過平均能量值的集合。使用上述方式選擇簇頭節(jié)點后，使用廣播的方式來通知網(wǎng)絡(luò)中的其它傳感器節(jié)點，節(jié)點在接受到消息以后可以根據(jù)接收信號的強弱程度判斷出與簇頭節(jié)點的距離，從而決定所屬簇。節(jié)點向簇頭節(jié)點通信確定選擇，簇頭節(jié)點確定本簇的節(jié)點后將會為其分配一個數(shù)據(jù)傳遞的時間點，為信息傳遞做準(zhǔn)備［12］。

1.2 備選簇頭的選擇

LEACH－DC協(xié)議在簇頭選擇中，引入備選簇頭的概念，即當(dāng)前簇頭傳送數(shù)據(jù)的輔助節(jié)點。

備選簇頭的選取方式是：確定簇頭節(jié)點后，在進行分簇的過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用廣播消息的方式向簇頭節(jié)點提出加入請求。在提出請求的同時，對于比平均能量值高的節(jié)點可以在發(fā)送請求消息的同時附加一個申請備選簇頭的信息。當(dāng)簇頭節(jié)點接受信息后采用時間優(yōu)先的策略確定當(dāng)前簇內(nèi)的備選簇頭，同時把備選簇頭的確定消息通知給簇內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

在備選簇頭的選取以及消息廣播的過程中，由于傳遞申請成為備選簇頭消息時需要消耗能量，所以對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而言此部分的能耗比LEACH協(xié)議要大，但是簇內(nèi)的消息傳遞信息量很小并且通信距離短，因此能耗不大。對于整個備選簇頭的方案而言存在額外消耗的這部分能量，在很大程度上可以避免由于個別簇頭節(jié)點過早耗盡自身能量而導(dǎo)致的簇穩(wěn)定時間減少的情況，因此對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從整體上延長了通信的時間、增加了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

1.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)成簇規(guī)模的限定

1.3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)成簇數(shù)

簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)關(guān)系著簇內(nèi)節(jié)點的能量消耗。假設(shè)N為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的總數(shù)目，若網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點是被隨機分布，限定其區(qū)域為矩形區(qū)域設(shè)定為M×M，為確定出最優(yōu)成簇數(shù)，設(shè)定簇數(shù)為K。對于每個簇的簇頭節(jié)點，其能量消耗分為3個部分：接收簇內(nèi)的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息所消耗的能量、簇首節(jié)點自身進行信息融合所消耗的能量、簇頭首節(jié)點向基站傳送信息所消耗的能量。考慮到簇頭節(jié)點能耗衰減為多路衰減模型，因此在一個幀內(nèi)簇頭節(jié)點能量消耗為

式中：l——每個消息的比特數(shù)，dtoBS——簇首節(jié)點至基站的距離。普通節(jié)點單位幀內(nèi)只傳輸一次信息給簇首，假定將傳感器網(wǎng)絡(luò)分成K個簇，則單個簇的區(qū)域面積約為M2／K，同時假定在簇內(nèi)簇頭節(jié)點處于中心點，則通過計算得到ρ（x，y）是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在簇內(nèi)分布的概率密度。將設(shè)簇內(nèi)節(jié)點是均勻分布，簇的作用區(qū)域是半徑為R的圓，則簇首節(jié)點與簇內(nèi)普通節(jié)點間的距離平方期望為

由普通節(jié)點的能量消耗以及簇首節(jié)點與簇內(nèi)普通節(jié)點間的距離平方期望公式推導(dǎo)可得在單位幀內(nèi)每個簇的總能量消耗為

單位幀內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總能量消耗為

把E對k求一階導(dǎo)數(shù)，并令其等于0，可求出最優(yōu)簇首數(shù)為

由公式能明顯看出，若優(yōu)簇首數(shù)k的取值取決于基站與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的距離dtoBS。假設(shè)令傳感器網(wǎng)絡(luò)面積定為：100×100，同時節(jié)點的分布方式是均勻分布，為方便計算假定基站的位置是位于平面坐標(biāo) （50，175）處，通過計算可以得基站與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離的取值范圍是：75—185，由式 （6）可得出網(wǎng)絡(luò)生成的最優(yōu)簇數(shù)的范圍為1＜kopt＜6。因此在LEACH－DC協(xié)議中，為了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗最優(yōu)，在確定簇頭節(jié)點后建立簇的過程中，對網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目進行嚴(yán)格的限定，簇頭占傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)的5%時為最優(yōu)。

1.3.2 簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目的限定

在進入簇的穩(wěn)定階段之前，一旦確定了簇頭節(jié)點，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點根據(jù)接受簇頭節(jié)點廣播時信號的強弱程度，自由選擇其加入的簇。簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)量需要進行相應(yīng)的控制。對于同一個簇，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點數(shù)太多時，節(jié)點間接收數(shù)據(jù)的相關(guān)性會變差，降低數(shù)據(jù)的融合度。隨著簇頭節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息量增多，相應(yīng)地其能量消耗也會增多。在簇的穩(wěn)定階段，進行信息傳遞時，若簇內(nèi)節(jié)點較多，那么簇頭節(jié)點分配給簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的時間段相應(yīng)就會減少，隨之而來的簇的內(nèi)部節(jié)點通信的數(shù)據(jù)量也相應(yīng)減少，那么形成了簇頭節(jié)點能耗過大，而簇內(nèi)節(jié)點能耗小的不平衡的情況。所以在最優(yōu)成簇數(shù)確定的前提下，通過簇頭對簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目進行一定的限定。簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)目依據(jù)簇頭節(jié)點與基站的距離而進行靈活的調(diào)整，在與基站節(jié)點距離較遠(yuǎn)的簇中限定其簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目少些，反之亦然。

2 LEACH－DC協(xié)議路由算法

確定了最優(yōu)成簇數(shù)以及最優(yōu)成簇的簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)后，簇的規(guī)?；拘纬?。以能量作為選擇標(biāo)準(zhǔn)確定簇頭節(jié)點以及選出備選節(jié)點后，網(wǎng)絡(luò)路由算法思想是將簇的通信分成階段：

在簇的穩(wěn)定階段，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個簇的簇內(nèi)節(jié)點，在簇頭所分配的時間段內(nèi)將其采集到的信息數(shù)據(jù)傳遞給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點通過對所接收到的數(shù)據(jù)進行融合后再傳送給基站節(jié)點。在此傳遞數(shù)據(jù)的過程中，將先設(shè)定的簇頭節(jié)點最低能量閾值作為警戒線，若簇頭節(jié)點的能量下降到這一閾值，表示不適合繼續(xù)向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，那么簇頭節(jié)點將未傳遞給的基站的數(shù)據(jù)傳送給備選簇頭節(jié)點。備選簇頭開始執(zhí)行本簇內(nèi)的簇頭任務(wù)，負(fù)責(zé)承擔(dān)數(shù)據(jù)傳送，以此減輕簇頭負(fù)擔(dān)，降低簇頭能耗。

在簇的穩(wěn)定階段持續(xù)一段時間后，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)將進行新一輪的簇頭節(jié)點的選擇以及簇的重構(gòu)。重新選擇簇頭、重新構(gòu)造簇、選擇備選簇頭，然后進入穩(wěn)定階段實現(xiàn)信息傳遞，依此方式，不斷循環(huán)。路由算法的具體流程圖如圖1所示。

圖1 LEACH－DC協(xié)議路由算法描述

簇內(nèi)節(jié)點向簇頭傳遞信息以及簇頭向基站傳遞信息時，采用不同的CDMA代碼，使用此方式可以降低本簇內(nèi)通信對其它簇的影響。

3 LEACH－DC協(xié)議仿真及結(jié)果分析

NS2是一個的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真器，它采用的是面向?qū)ο?、同時離散事件驅(qū)動的方式［13－14］，使用NS2可以完整的模擬整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境［15］。LEACH－DC協(xié)議在 NS2 2.27軟件平臺進行仿真實驗。

協(xié)議仿真的環(huán)境系數(shù)分別是：WSNs面積為100m×100m，節(jié)點數(shù)量100，傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點初始能量為2J。在正常工作過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點平均每一次發(fā)送信息的時間為1.2s，為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在試驗中的一段時間內(nèi)能有信息發(fā)送，設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔為15s，即△T＝15s；傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)冗余的范圍值為1.2；簇頭節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度為L：500bit＋25bit，其具體的數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)的格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)包的格式

在仿真過程中，使用隨機生成區(qū)間 ［1，10］內(nèi)的數(shù)據(jù)來模擬傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所采集到的信息。節(jié)點隨機分布圖如圖3所示，在LEACH－DC協(xié)議的設(shè)計中由于簇頭節(jié)點的確定使用了雙簇頭的方式，并且通過分析計算得到最優(yōu)成簇數(shù)，然后對簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量進行相應(yīng)的限定，同時對簇頭節(jié)點采用了融合數(shù)據(jù)技術(shù)，降低了發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

圖3 仿真實驗節(jié)點分布

圖4 是每輪節(jié)點能量總消耗。由于LEACH－DC協(xié)議通過分析節(jié)點的能耗，在一定程度上限定了成簇規(guī)模，那么簇內(nèi)節(jié)點的位置，雖然是隨機分布但離sink節(jié)點遠(yuǎn)的簇節(jié)點較少。因此，簇內(nèi)節(jié)點傳送信息的能耗較小，圖4能顯示出每輪消耗能量LEACH－DC要低于LEACH，并且衰減情況較平穩(wěn)。

圖4 每輪能量總消耗

圖5 比較了網(wǎng)絡(luò)總消耗能量與時間的關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)仿真的能耗與時間比的分析圖，反饋出LEACH－DC協(xié)議消耗的總能量要低于LEACH協(xié)議。LEACH－DC協(xié)議通過分析節(jié)點能耗，一定程度上限定了成簇規(guī)模，那么簇內(nèi)節(jié)點的位置，雖然是隨機分布但離sink節(jié)點遠(yuǎn)的簇節(jié)點較少。因此，簇內(nèi)節(jié)點傳送信息的能耗較小，每輪消耗能量要低于LEACH，并且衰減情況較平穩(wěn)。

圖5 傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體能耗

圖6 反饋的是網(wǎng)絡(luò)時間與發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系。由于LEACH－DC協(xié)議在簇頭選擇以及簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目反面做了均衡處理，延長了簇的生存時間，因此在簇的穩(wěn)定階段網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目比改進前的協(xié)議要多。但是從總體看，LEACH－DC協(xié)議由于在網(wǎng)絡(luò)能耗方面進行了均衡，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間，傳遞的信息量比LEACH協(xié)議多。

圖6 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總量與時間的關(guān)系

4 結(jié)束語

以均衡能量控制作為目的，以雙簇頭和非均勻分簇作為手段設(shè)計的LEACH－DC協(xié)議是對LEACH協(xié)議的一種改進方法。LEACH－DC算法將節(jié)點剩余能量考慮進來，采用了新的簇頭首選擇方法，對網(wǎng)絡(luò)成簇數(shù)目以及簇內(nèi)節(jié)點數(shù)進行了一定的限制，采用雙簇頭通信預(yù)防機制。通過仿真實驗以及對結(jié)果的分析，驗證了改進后的路由協(xié)議從成簇優(yōu)化方面、簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生存時間等方面都得到了較有效的改善，因而提高了網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。當(dāng)然本協(xié)議對于簇頭擔(dān)任時間還沒有做到精確測算，在此方面還能進一步完善研究。

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