張雅瓊，張 慧

(榆林學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，主要是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的底層功能即連接物到網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號并通過無線多跳的通信方式發(fā)送給匯聚節(jié)點［1］。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)如何沿著其他節(jié)點傳輸，如何到達(dá)匯聚節(jié)點即是路由協(xié)議要解決的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點硬件資源有限、能量有限且無法更換電池使得在設(shè)計路由協(xié)議時必須遵循能量優(yōu)先的原則，盡量節(jié)能以延長節(jié)點的使用壽命［2］。

1LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議是WSN中經(jīng)典的分簇層次型路由協(xié)議，與傳統(tǒng)協(xié)議相比LEACH能較好地降低能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。LEACH協(xié)議中節(jié)點自組織成簇，簇中某個節(jié)點擔(dān)任簇頭［3］。不同簇之間使用CDMA機(jī)制互不干擾，所有簇內(nèi)成員使用TDMA機(jī)制在分配給自己的時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭，簇頭接收所有簇成員發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對各成員的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，之后各個簇頭根據(jù)CSMA機(jī)制將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)方的匯聚節(jié)點。所以簇頭工作量大，比簇成員能耗大［4］。

LEACH協(xié)議是分輪(round)運行的，每輪分為簇的建立和數(shù)據(jù)傳輸2個階段。簇的建立階段主要是選舉簇頭并形成各個簇，數(shù)據(jù)傳輸階段是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括簇成員發(fā)送數(shù)據(jù)到簇頭以及簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點。為了使能量消耗小，通常建立階段較短，傳輸數(shù)據(jù)階段持續(xù)時間要比建立階段的時間長。

成簇過程為:傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)的范圍在0～1之間，如果這個數(shù)小于節(jié)點預(yù)設(shè)的閾值T(n)，則該節(jié)點成為簇頭節(jié)點，同時該節(jié)點廣播自己成為簇頭的信息。其他節(jié)點根據(jù)收到的簇頭信息能量大小選擇能量較高(距離較近)的簇頭加入［5］。閾值T(n)的表達(dá)式如式(1)所示。

其中，p是期望的簇頭占所有節(jié)點的百分比，即每個節(jié)點成為簇頭的概率，取值范圍在4% ～5%之間，不同應(yīng)用場合略有不同;r是當(dāng)前運行的輪數(shù);G是一個集合，包括在最近1/p輪中還未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點。

數(shù)據(jù)傳輸階段，簇成員將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合然后以單跳的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點［6］。

LEACH協(xié)議存在很多優(yōu)點的同時，也存在一些缺點，如LEACH協(xié)議選擇簇頭時并不考慮節(jié)點的剩余能量，這樣可能導(dǎo)致能量較少的節(jié)點擔(dān)任簇頭，使得能量快速耗盡，縮短網(wǎng)絡(luò)生存期。而且簇頭產(chǎn)生時并未考慮簇頭的位置，因此簇頭的分布不一定是合理的，可能導(dǎo)致有的區(qū)域簇頭偏多有的區(qū)域簇頭過少，簇內(nèi)成員的傳輸距離延長導(dǎo)致能耗變大。

2 能量模型

網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS2(Network Simulation)中已定義好了無線通信系統(tǒng)中的能耗模型，其模型如圖1所示。模型包含了發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的消耗。

圖1 無線通信能耗模型

發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗包括射頻模塊和信號放大器的能耗，接收節(jié)點的能耗僅包括接收電路的能耗。ξfriss－amp是信號放大器的倍數(shù)。信號放大器的能耗根據(jù)收發(fā)雙方之間的距離可以采用自由空間衰落模型和多路徑衰落模型。自由空間衰落模型中，路徑損耗指數(shù)為2，即D2能量損耗;多路徑衰落模型中，路徑損耗指數(shù)為4，即 D4能量損耗［8］。ERF表示發(fā)送或接收1比特數(shù)據(jù)時發(fā)送電路或接收電路的能耗。

假設(shè)信道是對稱的，即節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗與節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗完全相同。根據(jù)圖1所示的模型，發(fā)送M比特數(shù)據(jù)所消耗的能量如式(2)所示［8］。

ξfriss-amp和 ξtwo-ray-amp與所使用的傳輸放大模型有關(guān)，Dc是一個距離常量，可用式(3)表示。

其中:Ls表示系統(tǒng)能耗，與傳輸數(shù)據(jù)量無關(guān);hs是接收節(jié)點天線的長度;ht是發(fā)射節(jié)點天線的長度;λ為載波的波長。

傳輸距離為D，接收M比特數(shù)據(jù)接收方消耗的能量如式(4)所示［9］。

3LEACH協(xié)議的改進(jìn)

針對LEACH協(xié)議采用完全隨機(jī)的算法產(chǎn)生簇頭這一缺陷來做算法的改進(jìn)。

首先，為均衡網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的能量消耗，可以在選擇簇頭時，加入節(jié)點剩余能量的因素，即使得協(xié)議運行時盡量選擇剩余能量較高的節(jié)點為簇頭，避免一些節(jié)點因為過多擔(dān)任簇頭而導(dǎo)致早亡，從而縮短網(wǎng)絡(luò)生命周期。用E’表示節(jié)點的剩余能量，E0表示節(jié)點的初始能量，簇頭選擇公式中增加E’和E0，以便達(dá)到增大當(dāng)前剩余能量較高的節(jié)點被選為簇頭的概率，來均衡能耗，提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

另外，簇頭選擇公式中加入距離因素。因為簇頭向匯聚節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較簇成員大，而傳輸距離越大能耗越高，故簇頭離匯聚節(jié)點較近可以節(jié)省能耗。用Dmax表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最遠(yuǎn)的節(jié)點距匯聚節(jié)點的距離，用Dmin表示最近節(jié)點距匯聚節(jié)點的距離，D表示本節(jié)點距匯聚節(jié)點的距離。增加距匯聚節(jié)點近的節(jié)點成為簇頭的概率。

改進(jìn)后的LEACH-i協(xié)議的簇頭選擇公式如式(5)所示。

4 仿真結(jié)果與分析

NS2是由美國加利福尼亞大學(xué)Berkeley分校等4家教育和研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。它是一種離散事件模擬器，有一個Scheduler類，負(fù)責(zé)記錄當(dāng)前的時間、調(diào)度隊列中的事件并提供函數(shù)產(chǎn)生新的事件，其提供了多種協(xié)議的模擬，并提供了大量的腳本。NS還有豐富的構(gòu)件庫，強大的數(shù)據(jù)采集功能。本文以NS2作為仿真平臺。目前LEACH協(xié)議仿真代碼mit.tar.gz可以從網(wǎng)上獲得，腳本文件中對網(wǎng)絡(luò)的一些設(shè)置參數(shù)如表1所示，假設(shè)所有的節(jié)點都靜止不動。

表1 仿真參數(shù)

仿真對LEACH協(xié)議源代碼進(jìn)行改進(jìn)以實現(xiàn)LEACH-i協(xié)議，設(shè)置相同的腳本進(jìn)行仿真，記錄仿真結(jié)果并使用Origin繪圖進(jìn)行對比分析。

仿真結(jié)果如圖2所示，可以看到在5s的時候LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)開始出現(xiàn)節(jié)點死亡，而使用LEACH-i協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在10s后才開始出現(xiàn)節(jié)點死亡的情況，此時LEACH協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點死亡數(shù)量已達(dá)20%。在仿真到20s時，使用LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點已幾乎全部死亡，而改進(jìn)協(xié)議后網(wǎng)絡(luò)可以存活到25s，生存期延長1/4。

因此LEACH-i協(xié)議對比LEACH協(xié)議可以明顯降低節(jié)點能耗，顯著延長網(wǎng)絡(luò)生存期。

圖2 仿真結(jié)果比較

5 結(jié)束語

本文首先分析了LEACH協(xié)議，針對其缺點，在簇頭選擇公式加入節(jié)點能量和距離的因素，提出了改進(jìn)的路由協(xié)議 LEACH-i。NS2仿真結(jié)果表明，LEACH-i協(xié)議比LEACH協(xié)議節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量，延長了網(wǎng)絡(luò)生存期。但LEACH-i協(xié)議仍有缺點，如沒有考慮數(shù)據(jù)傳輸階段的單跳路由，這對于網(wǎng)絡(luò)生命周期的進(jìn)一步延長有很大影響，可做進(jìn)一步的改進(jìn)。

:

［1］鐘永鋒，劉永俊.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2011:84-125.

［2］彭愛平，郭曉松，蔡偉，等.基于估計機(jī)制的分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24(1):128-133.

［3］盧建剛，樂紅兵.基于區(qū)域劃分的WSN非均勻分簇算法［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2011，32(8):2639-2642.

［4］蔣暢江，石為人，唐賢倫，等.能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇路由協(xié)議［J］.軟件學(xué)報，2012，23(5):1222-1232.

［5］李成岳，申鉉京，陳海鵬，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LEACH路由算法的研究與改進(jìn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(8):1163-1167.

［6］張榮博，曹建福.利用蟻群優(yōu)化的非均勻分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2010，44(6):33-38.

［7］唐偉，郭偉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最大生命期基因路由算法［J］.軟件學(xué)報，2010，21(7):1646-1656.

［8］楊偉，劉潤杰，申金媛.一種基于LEACH的高效節(jié)能協(xié)議［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(8):1153-1157.

［9］張品，姜亞光，陳磊.基于加權(quán)優(yōu)化選擇兩級簇頭的WSN路由協(xié)議［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24(3):447-451.

［10］唐毅，梁曉曦，武俊.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)簇首節(jié)點數(shù)量研究［J］.通信技術(shù)，2007，40(6):30-32.

［11］楊明，許瑞琛，蔣挺.一種基于歷史信息的簇頭選取機(jī)制［J］.通信技術(shù)，2011，44(11):97-99.

［12］高鐵杠，牛偉偉.一個基于節(jié)點覆蓋的簇頭選舉算法［J］.計算機(jī)工程與科學(xué)，2011，33(5):1-8.

［13］郭瑞星，王慶生.ZigBee路由算法的研究與改進(jìn)［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，24(5):32-34.

［14］王勝平，胥布工.ZigBee路由發(fā)現(xiàn)廣播策略［J］.計算機(jī)工程，2010，36(11):105-107.