劉國梅

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 計算機科學(xué)與應(yīng)用系，鄭州450015）

劉國梅（講師），研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)。

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）［1］是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量、存儲空間、計算能力等的限制，使得傳統(tǒng)的無線路由協(xié)議不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［2］。因此，設(shè)計能夠有效節(jié)約能量、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的路由協(xié)議，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說意義重大。分簇路由協(xié)議在這方面具有很好的性能。

LEACH （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）［3］協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中第一個基于分簇的路由協(xié)議，通過周期性地隨機選舉簇首來保證節(jié)點有相等的機會成為簇首，均衡節(jié)點能量的消耗，從而達到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。其成簇思想貫穿于其后提出的很多分簇路由協(xié)議中，如 TEEN（Threshold－sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）［4］、PEGASIS（Power Efficient GAthering in Sensor Information System）［5］等。LEACH－C （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy－Centralized）［6］是LEACH協(xié)議的一個特定版本，是一種集中式的簇首產(chǎn)生算法。在LEACH－C中，當每輪開始時，每個節(jié)點將自身地理位置和剩余能量等信息報告給基站，基站根據(jù)這些全局信息挑選簇首，能夠確保簇首的數(shù)量和位置最優(yōu)，性能比LEACH協(xié)議有了顯著提高。但是，這種算法由于每次都與基站進行交互，增加了不少的能量消耗。

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LEACH－C協(xié)議存在的不足，本文在對LEACH－C協(xié)議研究的基礎(chǔ)上提出一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH－EE（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy－Energy Estimate）。該協(xié)議通過對能量消耗進行估算，減少傳感器節(jié)點與基站的通信量，從而節(jié)約整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及無線通信能耗模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文假設(shè)n個傳感器節(jié)點隨機分布在區(qū)域A內(nèi)，并且該傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特性：

① 網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，所有節(jié)點都是靜止不動的，節(jié)點能夠獲知其位置信息。

②網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，所有節(jié)點都可以直接與基站通信?；疚ㄒ磺椅恢霉潭?。

③ 普通節(jié)點能量有限，且具有相同的計算、通信能力和初始能量，而基站的能量和計算能力沒有限制。

④ 傳感器網(wǎng)絡(luò)是主動型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，負責持續(xù)監(jiān)測周圍環(huán)境現(xiàn)象并以恒定速率發(fā)送數(shù)據(jù)。

⑤ 傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)融合比例系數(shù)為β，即ktrans＝krec／β，其中krec、ktran分別表示傳感器節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包長度和融合后形成的數(shù)據(jù)包長度。

1.2 無線通信能耗模型

采用與參考文獻［7］相同的無線能耗模型。發(fā)送數(shù)據(jù)時的能量消耗為：

接收數(shù)據(jù)時的能量消耗為：

其中，k為發(fā)送數(shù)據(jù)bit值；d為實際通信距離；d0為距離閾值，當傳輸距離小于d0時，功率放大損耗采用自由空間模式，否則采用多路徑衰減模式；Eelec表示節(jié)點電路發(fā)送和接收每bit數(shù)據(jù)的耗能；εfx和εamp分別表示放大器在2種衰減模型下的能耗系數(shù)。

2 基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議

本文提出的基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH－EE的思想如下：

① 網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，每個節(jié)點將自己的位置和當前能量等信息發(fā)送給基站，基站運用類似LEACH－C的思想選擇合適的簇首并進行簇的劃分，并給每個簇加上簇標識，如c1，c2，c3，…，cn等。最后基站將簇首、簇標識、簇結(jié)構(gòu)等信息廣播出去，分簇完成。

②接著是一輪數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定階段。在這一階段，傳感器節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給簇首，簇首將數(shù)據(jù)融合后加上簇標識，然后把數(shù)據(jù)傳輸給基站，基站統(tǒng)計每個簇發(fā)送過來的數(shù)據(jù)量。當一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，基站根據(jù)這輪接收到的每一個簇的數(shù)據(jù)量估算出本輪中這個簇內(nèi)所有節(jié)點的能量剩余情況。具體如下：

假設(shè)第m（m＝1，2，3，…）輪基站接收到簇標識為ci的簇的數(shù)據(jù)量為k bit，那么該簇內(nèi)節(jié)點的能量剩余情況估算分兩種情況：

a）簇首的能量剩余。簇首的能量消耗包括以下三部分：接收簇成員節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)的能耗、融合數(shù)據(jù)需要的能耗和將融合后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站的能耗。因此簇首的能耗為：

假如簇首節(jié)點的初始能量為E0，則第一輪數(shù)據(jù)傳輸后，估算簇首的剩余能量 Ei，0，1estimate為：

b）簇內(nèi)其他成員節(jié)點的能量剩余情況估算。簇內(nèi)其他成員節(jié)點的能量消耗只有發(fā)送數(shù)據(jù)時的能量消耗。由于采用的網(wǎng)絡(luò)模型中各個傳感器節(jié)點以恒定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，所以本文近似認為簇內(nèi)每個成員節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)量是均衡的。因此，假設(shè)簇ci內(nèi)有ni個成員節(jié)點，則該輪中每個簇內(nèi)成員節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)量k′近似為k′＝k／ni。

記該簇內(nèi)成員節(jié)點j到簇首的距離為dij（為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，要求dij＜d0），根據(jù)能量消耗公式（1），則該成員節(jié)點第m輪的數(shù)據(jù)能耗為：

這樣，一輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后，基站可以近似估算出所有節(jié)點的剩余能量，并根據(jù)這些估算值重新選擇合適的簇首并進行簇的劃分，開始新一輪的工作。

③ 當間隔一定的輪數(shù)（相當長的一段時間），或者傳感器節(jié)點的能量低于一定的值，或者有新成員節(jié)點加入時，基站再要求傳感器節(jié)點匯報自己的能量等信息，并根據(jù)接收到的信息重新校正估算的各個節(jié)點的剩余能量，使這些數(shù)值精確，然后再重新進行簇首的選擇和簇的劃分。

比起LEACH－C，LEACH－EE協(xié)議不需要傳感器節(jié)點每輪結(jié)束后向基站匯報自己的位置、能量等信息，節(jié)省了能量開銷。同時，由于間隔一定的時間會對估算值進行精度調(diào)整，所以LEACH－EE協(xié)議的性能比較好。

3 仿真及結(jié)果分析

本文使用Matlab對LEACH－EE協(xié)議進行仿真，并和LEACH、LEACH－C協(xié)議進行比較。仿真場景設(shè)置如下：100m×100m的區(qū)域內(nèi)隨機部署50個傳感器節(jié)點，基站位于坐標（50，50）處，節(jié)點的初始能量為1J，數(shù)據(jù)包大小為2000bit，Eelec＝50nJ／bit，εfx＝10pJ／（bit·m2），εamp＝0.0013pJ／（bit·m4），d0＝87.7m，β＝1000，數(shù)據(jù)融合的能耗EDA＝5nJ／bit。本文從簇首的分布位置、網(wǎng)絡(luò)總能量消耗、網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點存活數(shù)三方面對比了LEACH、LEACHC和LEACH－EE協(xié)議，并給出了LEACH－EE協(xié)議中不同時刻能量估算的誤差圖。

（1）簇首分布位置

圖1顯示了3種分簇路由協(xié)議不同時刻的簇首分布位置。LEACH在100s時簇首數(shù)目為5，在200s時簇首數(shù)目為3，由于節(jié)點隨機當選簇首造成其個數(shù)和分布不太理想；LEACH－C和EACH－C在100s時簇首數(shù)目為4，到200s時簇首數(shù)目仍然為4，避免了分簇數(shù)過大或過小造成的能量消耗，而且從圖1中可以看出，LEACH－EE的簇首分布位置與LEACH－C很接近，在網(wǎng)絡(luò)中一直都很均勻，說明LEACH－EE成簇效果與LEACH－C相當。

圖1 不同時刻簇首分布位置

（2）能量估算誤差

圖2顯示了LEACH－EE協(xié)議不同時刻能量校正時，計算出的所有節(jié)點的能量估算值和節(jié)點匯報的能量值之間的總誤差。從圖2中可以看出，總的來說，估算的能量誤差并不算大。

圖2 不同時刻能量估算總誤差

（3）網(wǎng)絡(luò)總能量消耗

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能耗情況如圖3所示，圖中的橫坐標是仿真時間，縱坐標是50個節(jié)點的總的能量消耗?？梢郧宄乜吹?，大部分時間段里，總的能量消耗：LEACH－EE＜LEACH－C＜LEACH。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能量消耗與時間的關(guān)系

（4）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)

圖4為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)隨時間的變化情況，可以看到，LEACH－EE 的 節(jié) 點 存 活 率 要 好 于 LEACH－C和LEACH協(xié)議。這50個傳感器節(jié)點，如果使用LEACH協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，則時間持續(xù)403s后網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點全部死亡；使用LEACH－C協(xié)議，則時間持續(xù)448s后所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點全部死亡；而如果采用LEACH－EE協(xié)議，則時間持續(xù)到502s后網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點才全部死亡。

圖4 節(jié)點存活數(shù)與時間的關(guān)系

結(jié) 語

路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容，它的性能直接影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行效率。本文從節(jié)省能量、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的角度，對LEACH－C協(xié)議進行了改進，提出了一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH－EE。通過能量消耗模型，基站根據(jù)接收到的各個簇的數(shù)據(jù)量來估算每個簇內(nèi)節(jié)點的能量消耗情況，并根據(jù)估算結(jié)果重新確定下一輪的簇首和簇結(jié)構(gòu)。只有在一定條件下，或者間隔相當長的時間，才需要傳感器節(jié)點向基站匯報自己的能量等信息。仿真結(jié)果表明，與LEACH、EACH－C協(xié)議相比，LEACH－EE協(xié)議能更好地降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］汪秉文，王偉，郭樂江，等.一種新型基于分簇的能量高效數(shù)據(jù)收集和融合協(xié)議［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2012，33（3）：448－451.

［3］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energy－efficient communication protocol for wireless sensor networks［C］／／Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences，Maui，Hawaii，2000：3005－3014.

［4］Manjeshwar A，Agrawal DP.TEEN：A Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks［C］／／Proceedings of 15th International Parallel and Distributed Processing Symposium，San Francisco，California，2001：2009－2015.

［5］Lindsey S，Raghavendra CS.PEGASIS：power－efficient gathering in sensor information systems［C］／／Proceedings of the IEEE Aerospace Conference，Montana，2002.

［6］Siva D M G，Ma D C F.A Centralized Energy－efficient Routing Protocol for Wireless Sensor Networks［J］.IEEE Radio Communications，2005，43（3）：8－13.

［7］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.An Application－specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1（4）：660－670.