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        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的研究改進

        2018-05-26 01:50:17劉闖陳桂芬馬威風(fēng)

        劉闖,陳桂芬,馬威風(fēng)

        (長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,長春 130022)

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是一個整體。WSN(無線傳感器)主要工作方式:在需要監(jiān)測區(qū)域安放大量的傳感器節(jié)點,傳感器節(jié)點能夠自動采集所需要信息,傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)采集到信息做出決策,最終為用戶提供服務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的數(shù)據(jù)獲取的方式,因此對于傳感器的研究備受矚目[1]。但由于WSN節(jié)點成本較高,能量受限后難以后期維護,因此WSN路由協(xié)議的一個重要目的就是高效地使用節(jié)點能量,最大限度延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間[2,3]。

        分簇具有降低網(wǎng)絡(luò)能耗,拓撲管理非常方便,能量利用率高等點。除以上優(yōu)點之外,其在數(shù)據(jù)融合方面也有巨大優(yōu)勢[4]。LEACH[5]首先提出基于多簇結(jié)構(gòu),部分基于分簇路由算法,例如LEACH-C[6]、EEE-LEACH[7]、EMODLEACH[8]等 都 是 借 鑒LEACH分簇思想發(fā)展而來的。簇頭的隨機選擇雖然具有易實現(xiàn)、操作性靈活等優(yōu)點,但無法合理地確定簇頭數(shù)目和區(qū)域的分布,這樣會導(dǎo)致節(jié)點能量消耗不均衡,造成整個網(wǎng)絡(luò)性能變差。研究表明,多跳在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中更有利于能量的節(jié)約。HEED[9]協(xié)議在簇頭和BS之間采用多跳的通信方式能更好地節(jié)約能量,但容易導(dǎo)致靠近BS的簇頭由于需要轉(zhuǎn)發(fā)消息到其他簇而消耗更多能量,致整個網(wǎng)絡(luò)中的各個區(qū)域之間能量的不平衡。對于其存在的問題,EEUC[10]算法使用非均勻分簇的方法成簇,根據(jù)距離這一變量劃分簇,網(wǎng)絡(luò)被劃分為不同的簇,離BS近的簇的規(guī)模小,簇頭收到成員節(jié)點數(shù)據(jù)后選擇剩余能量多且距離自己最近的簇頭多跳傳輸數(shù)據(jù),能夠平衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗,延長網(wǎng)絡(luò)使用時間。簇的規(guī)模不同,簇間的成員節(jié)點數(shù)也有所差別,在數(shù)據(jù)傳輸階段離BS較近的簇頭,在單位時間內(nèi)向BS發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)較多,導(dǎo)致全網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)難以同步。

        綜合考慮上述問題。對于算法改進基本思想:一是在簇頭選舉時考慮節(jié)點上一輪的能量消耗和到節(jié)點到BS的距離;二在形成簇時,節(jié)點選擇考慮了簇頭規(guī)模、能量、簇頭與BS距離,構(gòu)建大小不同規(guī)模的簇來均衡區(qū)域間的能耗,同時為了解決非均勻分簇簇規(guī)模大小不一存在的步調(diào)不一致問題,采用不定長幀的結(jié)構(gòu)方式,簇的成員較少的簇的幀時間間隔較大,簇的成員較多的簇的幀時間間隔較小,以此來保證單位時間內(nèi)不同簇的節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)次數(shù)相同;三是當(dāng)簇頭間距離大于設(shè)定值時,簇的內(nèi)部選擇中繼節(jié)點協(xié)助傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和相鄰簇頭多跳傳輸?shù)紹S,進一步延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

        1 相關(guān)模型

        1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

        研究整個網(wǎng)絡(luò)分布在一個正方形區(qū)域內(nèi),隨機分布N傳感器節(jié)點,可以周期性的收集區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù),假設(shè):①BS檢測區(qū)域外圍,傳感器節(jié)點和BS在安放后均不再發(fā)生位置移動;②全部節(jié)點同構(gòu)并且能量有限,可以獲得本身的剩余能量,每個標識ID對應(yīng)一個節(jié)點;③全部節(jié)點都能夠一跳到達BS,BS能夠與全部節(jié)點通信;④數(shù)據(jù)融合能夠減少數(shù)據(jù)量傳輸,簇頭融合單位數(shù)據(jù)消耗的能量相同;⑤節(jié)點可以通過接收到的信號強度RSSI計算信號發(fā)出者到自己的距離,同時節(jié)點不具有位置感知能力;⑥忽略外界因素對通信質(zhì)量的影響,節(jié)點能夠可靠地進行周期性數(shù)據(jù)采集任務(wù)并始終有數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹S。

        1.2 能量模型

        采用文獻[6]中的無線通信能耗模型,節(jié)點發(fā)送kbit的數(shù)據(jù)包到達距離為d的另一個節(jié)點,無線信號收發(fā)部分和功率放大部分是主要的能量消耗部分。其中,功率放大器的能量消耗與傳輸環(huán)境和距離密不可分,其可由自由空間和多徑傳輸兩種模式組成。發(fā)射機傳輸k比特數(shù)據(jù)所消耗能量計算公式如下式(1)所示:

        其中,Eelec為能量消耗,d0為傳輸距離常數(shù)。當(dāng)傳輸距離d<d0,則采用自由空間衰落模型εfsd2;若傳輸距離d≥d0,則采用多徑衰落模型εmpd4。式(1)中的 d0=,εfs和εmp分別為射頻參數(shù),其值中功率放大器決定。接收器件消耗的能量如式(2):

        2 LEACH-LOMUC協(xié)議

        提出的LEACH-LOMUC協(xié)議采用“輪”循環(huán)工作方式,主要由簇頭選擇、簇的形成、簇間多跳路徑的構(gòu)建三部分組成。準備階段中,BS向全網(wǎng)廣播初始化消息(包含最優(yōu)數(shù)目mopt和最優(yōu)通信半徑ropt),節(jié)點根據(jù)信號強度估算與BS的距離ditoBS。簇的形成階段產(chǎn)生不同規(guī)模的簇,由分簇結(jié)果建立簇頭間的多跳路徑,最后網(wǎng)絡(luò)便進入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。圖1是協(xié)議的基本原理圖,簇頭與下一跳簇頭距離大于傳輸距離閾值d0時,選擇中繼節(jié)點輔助數(shù)據(jù)傳輸,圖中的節(jié)點連線代表簇間多跳傳輸路徑。

        圖1LOMUC協(xié)議基本原理

        2.1 相關(guān)工作準備階段

        BS根據(jù)監(jiān)測區(qū)域面積和全網(wǎng)節(jié)點數(shù)計算最優(yōu)簇的數(shù)目mopt,采用文獻[6]中的方法,假設(shè)在M×M的區(qū)域內(nèi)均勻部署N傳感器節(jié)點,運行結(jié)束后產(chǎn)生了m簇,m簇的整體能量消耗為ETotal,如式(3)。

        對式(3)中的m求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)等于0,求出mopt,然后得到最優(yōu)通信半徑ropt:

        2.2 LEACH-LOMUD簇頭選擇

        針對LEACH協(xié)議閾值T(n)的不足,把能量和距離因素考慮進來,對公式Topt(n)進行改進,在此階段,對于每個傳感器點,使其產(chǎn)生一個0~1之間的隨機數(shù),對于這個隨機數(shù)值小于閾值Topt(n),此節(jié)點就成為候選簇頭。

        其中,,p表示簇頭所占比例,r為已完成輪數(shù),G是最近1p輪中未被選為過簇頭的集合,Erest、Eused、Eavg為上一輪剩余能量、節(jié)點在上一輪消耗的能量、簇內(nèi)節(jié)點上一輪平均剩余能量。

        2.3 簇的形成

        候選簇頭產(chǎn)生后,各候選簇頭以距離常數(shù)d0廣播最終簇頭競選消息(其中包含剩余能量、到BS距離和一跳鄰居節(jié)點數(shù))。在d0范圍內(nèi)不包含有其他候選簇頭,則該節(jié)點為最終簇頭;反之,則根據(jù)公式(7)進行代價值計算并交換比較,代價值小的候選簇頭競選獲勝并廣播獲勝消息;反之,退出簇頭競選成為普通節(jié)點。普通節(jié)點依由文獻[11]改進的公式(8)選擇簇頭發(fā)送加入請求(含有剩余能量),簇頭接收到所有節(jié)點消息后,計算出簇間的平均剩余能量并采用TDMA方式向簇的成員節(jié)點發(fā)送時隙表,隨著簇頭向簇內(nèi)所有成員節(jié)點廣播平均剩余能量和調(diào)度時隙表,簇的形成階段完成。

        其中,α表示權(quán)重,P1=Eres(CHj)ditoCHj,,Eres(CHj)表示簇頭j的剩余能量,ditoCHj表示節(jié)點i簇頭j的距離,dCHjtoBS表示簇頭j到BS的距離,N(CHj)表示簇頭j的一跳鄰居節(jié)點數(shù)。

        2.4 簇頭間通信

        在簇形成后,與BS距離小于d0的簇頭直接將數(shù)據(jù)傳送至,距離大于d0的簇頭則使用多跳方式傳送數(shù)據(jù),根據(jù)公式(9)計算代價函數(shù)Cost(CHi,CHj)值,選擇代價值最小的簇頭作為下一跳簇頭。其中,dCHitoCHj為簇頭i與j之間距離,dCHjtoBS為簇頭j與BS之間距離,Eres(CHj)為簇頭j當(dāng)前剩余能量。

        如果下一跳節(jié)點的簇頭已確定,若簇頭之間距離超過d0,便在距離該下一跳簇頭直線距離的中點附近選擇一個本簇內(nèi)能量高且距離下一跳簇頭最近的中繼節(jié)點用于兩簇頭之間的多跳傳輸數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點選舉公式如下式(10)。其中,dreltoCHi為中繼節(jié)點與所在簇的簇頭距離,dreltoCHj為中繼節(jié)點到下一跳簇頭的距離,Erel為中繼節(jié)點的剩余能量。

        3 仿真實驗與分析

        3.1 仿真實驗

        對于算法驗證,通過對MATLAB建立仿真模型,對于LEACH、HEED、EB-LEACH[12]和EEUC與本LEACH-LOMUD算法進行對比。對比方式主要是網(wǎng)絡(luò)整體能量、網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)、存活節(jié)點數(shù)等多項性能進行仿真分析,仿真參數(shù)見表1。

        3.2 仿真實驗結(jié)果分析

        算法中簇權(quán)值α值的選擇十分重要,因為α是控制普通節(jié)點加入簇,簇的區(qū)域規(guī)模大小的變量,參數(shù)選擇0.1~1進行試驗,結(jié)果如下圖2所示??梢钥闯觯?dāng)α=0.5或α=0.6時效果最好,因此選擇α=0.6。

        表1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與參數(shù)

        圖2 權(quán)值α與輪數(shù)的關(guān)系

        圖3 五個協(xié)議的兩個參數(shù)(FND和HND)

        由上圖3可知(死亡節(jié)點出現(xiàn)的輪數(shù)),能夠看出整個網(wǎng)絡(luò)情況,對于論數(shù)時間比較長的,說明其能量利用率高,比較小的,說明其能量利用率較低,整個網(wǎng)絡(luò)較差。對于那些輪數(shù)較長時間出現(xiàn)的,其即能量利用率就越高。圖3參數(shù)FND(第一個節(jié)點死亡參數(shù))和HND(一半節(jié)點死亡參數(shù))相互比較,LEACH算法的死亡節(jié)點出現(xiàn)在683輪后開始出現(xiàn),而LEACH-LOMUC在1323輪后;1287輪之后,LEACH算法節(jié)點死亡一半,而LEACH-LOMUC在1672輪才出現(xiàn)這種情況。由此可見,改進算法LEACH-LOMUC不僅顯著地延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期,而且死亡節(jié)點出現(xiàn)也晚于其他算法,這種現(xiàn)象表明LEACH-LOMUC能夠均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗。

        圖4 生命周期對比

        圖5 剩余總能量對比

        圖4與圖5是五種算法網(wǎng)絡(luò)生命周期和剩余總能量的比較,從圖中可以看出,LEACH-LOMUC的生命周期最長且剩余能量最多,EEUC第二,LEACH最差。在生命周期方面,LEACH-LOMUC比LEACH延長一半,相較于EEUC,其生命周期延長了約13%,HEED和EB-LEACH的生命周期分別延長了約50%和40%;網(wǎng)絡(luò)剩余總能量方面,LEACH-LOMUC明顯優(yōu)于LEACH、HEED、EB-LEACH和EEUC。

        對于產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因如下,LEACH協(xié)議簇與匯聚節(jié)點之間以單跳方式直接通信,生命周期短并且能量消耗最大;HEED算法與LEACH不同(在競爭機制),對于簇頭選擇參考剩余能量,能夠選出更好的網(wǎng)絡(luò)分布。但是與EB-LEACH相比,其多次迭代生成的簇消耗過多能量。EB-LEACH算法對于簇頭選擇加入了能量閾值約束條件,性能較LEACH和HEED有所優(yōu)勢,但缺點也十分明顯,其僅僅能均衡簇頭區(qū)域的能量分布,不能使得整個網(wǎng)絡(luò)能量消耗平衡。EEUC采用非均勻分簇方法使網(wǎng)絡(luò)中形成大小不等的簇,解決了熱點問題,采用多跳方法,節(jié)省能耗,使得其網(wǎng)絡(luò)生存時間較LEACH、HEED和EB-LEACH明顯延長。

        LEACH-LOMUC和EEUC一樣也采用非均勻分簇和多跳數(shù)據(jù)傳輸方式節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中通信能量消耗。不同于EEUC的是,LEACH-LOMUC在閾值上引入了上一輪節(jié)點的能量消耗因素和距離因素,使得能量大且離BS近的節(jié)點有更大的可能成為簇頭;節(jié)點在選擇加入簇頭時考慮了簇頭的規(guī)模和負載問題,節(jié)點選擇簇內(nèi)未飽和的簇頭加入;在簇間多跳通信時,簇頭間距離大于設(shè)定值時選擇中繼節(jié)點輔助簇頭間數(shù)據(jù)傳輸,節(jié)省簇頭的能量,使得網(wǎng)絡(luò)每輪剩余能量有所增加,整個網(wǎng)絡(luò)能量平衡。所以LEACH-LOMUC的生命周期優(yōu)于其他四種算法。

        4 結(jié)論

        對于現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法及其存在的問題,根據(jù)非均勻分簇的思想,提出了基于LEACH路由協(xié)議的改進協(xié)議LEACH-LOMUC。改進協(xié)議基本思想是簇頭的選舉考慮了節(jié)點上一輪的能量消耗和到節(jié)點到BS的距離;成簇時,考慮簇的規(guī)模、能量、簇頭與BS之間的距離,同時在時間片中引入休眠過程來解決非均勻分簇簇規(guī)模大小不一存在的步調(diào)不一致問題;最后對于簇頭間通信距離過大時引入中繼節(jié)點輔助數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和相鄰簇頭傳輸?shù)紹S。通過實驗對比結(jié)果表明:與LEACH、HEED、EB-LEACH和EEUC算法相較可以發(fā)現(xiàn),算法能量均衡,生命周期延長。

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