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探討無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH路由協(xié)議的變化
引言
當計算機的運算速度突飛猛進，使數(shù)據(jù)處理和計算能力迅速提高后，當存儲器的容量無限增長，使海量存儲得以實現(xiàn)時，當網(wǎng)絡(luò)的帶寬一再提升，數(shù)據(jù)傳輸己變得輕而易舉時，如何高效地獲取尤其是遠程獲取需要處理的大量信息成為人們研究的重點，于是融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)[1]應(yīng)運而生。部署在檢測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，稱之為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）。協(xié)作感知、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)送給觀察者是WSN 的主要目的。其要素是傳感器、感知對象和觀察者。傳感器之間、傳感器與觀察者之間以無線的形式建立通信路徑，達到協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的感知對象信息的目的。實際情況下，WSN 中的節(jié)點是在不斷運動的，本文中所提到的節(jié)點都是靜止狀態(tài)下的，并且每個節(jié)點都可以沖淡路由器，具有搜索、定位、和恢復(fù)連接的能力。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由分類
路由協(xié)議對于網(wǎng)絡(luò)傳輸是必不可少的，WSN 路由協(xié)議延續(xù)了Ad hoc 網(wǎng)的分類方法，可以根據(jù)不同的角度進行分類�？筛鶕�(jù)根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略的角度不同，將WSN 路由協(xié)議分為主動路由和被動路由兩種類型；可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)不同，將WSN 路由協(xié)議分為平面路由和分層結(jié)構(gòu)路由兩類[2 ][3]。
2 LEACH[4-6]路由協(xié)議
層次路由協(xié)議中最具代表性的是LEACH 路由協(xié)議，該協(xié)議是低功耗自適應(yīng)聚類分級路由協(xié)議[7-9]其他層次式的路由協(xié)議如TEEN、APTEEN、PEGASIS 等大都由LEACH 發(fā)展而來。
LEACH 的基本思想是將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中,這主要是通過隨機循環(huán)地選擇簇首節(jié)點實現(xiàn)的，從而有效將網(wǎng)絡(luò)能源消耗降低，提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間。
LEACH 在運行過程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇重構(gòu)過程。
傳統(tǒng)的 WSN 基于簇的結(jié)構(gòu)被關(guān)注。因為簇首節(jié)點的能量消耗遠遠大于非簇首節(jié)點，導(dǎo)致簇首節(jié)點比非簇首節(jié)點消亡的要快。為了解決這個問題，Heinzeman 提出了LEACH。這個算法的基本思想是周期性的選擇簇。每個周期成為“輪”，每一輪選擇簇首節(jié)點，其他節(jié)點協(xié)助簇首節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，最終，簇首節(jié)點對數(shù)據(jù)進行融合并將數(shù)據(jù)傳給sink 節(jié)點。
每一輪，每個節(jié)點被隨機賦予0-1 之間的任意值，如果這個值小于最低預(yù)測極限值，則節(jié)點變?yōu)榇厥祝?br /> P 是在網(wǎng)絡(luò)中頭節(jié)點在所有節(jié)點中的比例；r 是當前選擇輪數(shù)；G 是過去1/p 輪未被選為簇首的節(jié)點集合。
3 LEACH 協(xié)議改進與仿真
3.1 對LEACH 協(xié)議的簇的形成和簇首選取方法進行改
進本文提出的改進協(xié)議中，簇的形成和簇首選取的過程如所示。根據(jù)公式其中，假設(shè)每個簇在WSN 中所占的面積為S/k ，dtoBS 為簇首節(jié)點到基站BS 的平均距離，εfriss-amp 為Friss frss space model 時的放大器參數(shù)，εtwo-ray-amp Two-ray Groundmodel 時的放大器參數(shù)。
結(jié)合 WSN 內(nèi)情況，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分簇數(shù)目C 進行估算，得出每簇的節(jié)點數(shù)目V=節(jié)點總數(shù)Y/C,將V 設(shè)置為簇內(nèi)節(jié)點數(shù)的最高門限值，即成簇節(jié)點的個數(shù)最高值。形成簇及簇首選取流程圖如圖所示。統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的鄰節(jié)點數(shù)目Vi，如果Vi>V，則放棄該組節(jié)點成簇的機會；如果Vi≤V，將節(jié)點的鄰節(jié)點數(shù)目進行排序，按照節(jié)點數(shù)目大小排序為q1、q2、q3、q4…qi…qc，如果發(fā)現(xiàn)其中qm、qn（m>n）互為鄰節(jié)點，則在序列中舍棄qn，后面的節(jié)點依次向前增補。此時，將整個網(wǎng)絡(luò)分為了C 個區(qū)域，任取其中某一個子區(qū)域，其節(jié)點集合為Ci，抽取該自子區(qū)域內(nèi)的鄰節(jié)點數(shù)目最多的節(jié)點qi，其剩余能量為Ei，此qi 的鄰節(jié)點集合記為D，則D=Ci-{qi}，qi∈Ci，D 中任意一節(jié)點e，其能量為Ee，如果：Ei>Ee，e∈D，則qi 為該簇簇首節(jié)點，否則，計算max（Ee） e∈D，則e 為簇首節(jié)點。
3.2 NS-2 仿真驗證
針對上述 LEACH 協(xié)議中存在的問題，結(jié)合傳感器節(jié)點的不一定撒布在平坦地帶，節(jié)點之間可能存在空間距離，所以本文提出了將節(jié)點與三維坐標系結(jié)合起來，這樣既方便節(jié)點的定位，適合WSN 中因節(jié)點移動，拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化的特征，又能在簇的形成、簇首選擇中顯得更加快捷、方便，而且對于解決節(jié)點安全問題、剩余能量的均衡以及延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期具有一定的效果。尤其是在WSN 的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展上具有一定的實際意義。下面將具體方案闡述如下：
假設(shè) WSN 的具體情況如下：
①大量的節(jié)點被隨機分布在不平整的區(qū)域內(nèi)；
�、诮⒁粋�以所處位置海拔最低的節(jié)點為原點以正北為x 軸正向、以正東為y 軸正向、以豎直向上為z 軸正向的三維坐標系；
�、墼谡麄�網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，均勻分布具有GPS 定位功能的信標節(jié)點，作為整個網(wǎng)絡(luò)的通信中樞，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都能夠通過GPS 系統(tǒng)確認自己的位置坐標；
�、軘�(shù)據(jù)發(fā)送時基于查詢的；
⑤對于節(jié)點間的通信阻礙忽略不計；
⑥網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路都是雙向的，也就是說假如節(jié)點1 在節(jié)點2 的傳輸范圍內(nèi)，節(jié)點2也在節(jié)點1 的傳輸范圍內(nèi)；
�、遅SN 網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點具有相同的結(jié)構(gòu)所示：
仿真環(huán)境：仿真工具采用NS-2 平臺，版本2．28，操作系統(tǒng)為windows XP+Cygwin，LEACH 源碼來自M IT 的網(wǎng)站，仿真程序是在LEACH 的基礎(chǔ)上進行了編寫修改和補充完善的， 并對 LEACH 協(xié)議的幾個小BUG 進行了修正。
硬件主要配置：CPU 為奔騰2．8 GHz、內(nèi)存1GB。仿真環(huán)境中，100 個節(jié)點隨機分布在70 m×70m×10m 的三維區(qū)域內(nèi)，基站坐標取(50，175，0)。每輪簇頭選舉時間間隔為10s。
中列出了仿真中使用的參數(shù)值。
網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣主要是靠每輪存活的節(jié)點的數(shù)目來反映。存活的節(jié)點數(shù)目越大，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域就越廣，每輪參與選取的節(jié)點就越多，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。下面，針對簇首個數(shù)的多少分別進行仿真，根據(jù)節(jié)點數(shù)目、分布區(qū)域情況，計算出最優(yōu)簇首數(shù)目為5 個，傳統(tǒng)LEACH 協(xié)議初始化網(wǎng)絡(luò)時，使用的簇首數(shù)目為6 個，比較這兩種情況下的存活節(jié)點數(shù)目。
選擇6 個簇首節(jié)點的WSN 網(wǎng)絡(luò)在第390 s 的時候就已經(jīng)開始有節(jié)點死亡，到400s 的時候全部節(jié)點都已經(jīng)死亡。選擇5 個簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò)在420s 才開始出現(xiàn)節(jié)點死亡，在500s 附近所有節(jié)點全部消亡，由此可以看出，5 個簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò)的生存周期要比6 個簇首的WSN 生存周期長許多。主要是因為選擇6 個簇首的網(wǎng)絡(luò)每輪平均能耗大，導(dǎo)致有些節(jié)點提前消亡。從5-3 可以看出，選擇6 個簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)死亡節(jié)點后，節(jié)點死亡的速度比選擇5 個簇首的網(wǎng)絡(luò)要快的多，在350 s 時，網(wǎng)絡(luò)中就有11 個節(jié)點死亡，在370s 時就有24 個節(jié)點死亡了，380 s 時激增到44 個，400s 時全部節(jié)點消亡。而選擇5 個簇頭節(jié)點時，死亡節(jié)點的速度比較慢。由此可見，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)簇首選擇方法更能提高網(wǎng)絡(luò)性能，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
b、節(jié)點消耗的總能量比較對于 WSN 來說，節(jié)點能量是非常有限的，網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要指標就是節(jié)點的能耗。
單個節(jié)點的能耗越少，網(wǎng)絡(luò)的生命周期也就會越長。比較簇首數(shù)為5 和6 兩種情況下節(jié)點消耗的總能量。
從可以看出，WSN 網(wǎng)絡(luò)選擇在有5 個簇首節(jié)點是，大概在第510 s 才消耗所有能量。而選擇6 個簇首的，則在400 秒左右能量就完所有能量消耗完。選擇6 簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò)能量消耗一直在選擇5 個簇首節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)曲線上面，這說明從第一個節(jié)點一直到所有節(jié)點都消亡，選擇6 個簇首的網(wǎng)絡(luò)所消耗的平均能量要比簇首為5 的網(wǎng)絡(luò)大。具體的講，在380s后表現(xiàn)的更為明顯，此時6 簇首的網(wǎng)絡(luò)能量消耗出現(xiàn)跳變，所消耗的能量突然變大，主要是因為在380s 時有44 個節(jié)點死亡，390s 時死亡了79 個節(jié)點，400s 時全部節(jié)點都死亡了。在390s 時，每個節(jié)點所擁有的能量就只能維持一次通信。通過仿真驗證，改進后的LEACH 協(xié)議有效保證了節(jié)點公平承擔(dān)能量消耗的負擔(dān)，保證了網(wǎng)絡(luò)能量的均衡。
結(jié)束語：能量對于WSN 來說可以說是至關(guān)重要的，在LEACH 協(xié)議，由于簇首選取、簇間通信耗費了大量能量，影響了網(wǎng)絡(luò)的生存周期，本文從簇的形成到簇首的選取兩個方面對LEACH 協(xié)議進行了改進，從仿真實驗結(jié)果看，達到了預(yù)期的效果，減小了網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
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參考文獻
[1] 李臘元，李春林．計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(第二版)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2004：132-137
[2]Ian F. Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci, A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine, vol. 40, pp. 102–116, Aug. 2002.
[3]Lindsey S, Raghavendra CS. PEGASIS: Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems.
[4]W R Heinzelman，A Chandrakasan,H Balkarislman．Energy-efficient communicationProtocol for wireless sensor networks[C]．Proceedings of the 33rd Annual HawaiiInternational Conference on System Sciences，Hawaii，USA，2000：1-10
[5] W R Heinzelman，A Chandrakasan，H Balkarishnan．An Application—specific ProtocolArchitecture for Wireless Microsensor Networks[J]．IEEE Transactions on WirelessCommunications，2002，1(4)：660—670
[6] Mhater V Rosenberg C．Homogeneous VS heterogeneous clustered sensor networks：a comparativestudy[J]．Communications，2004 IEEE International Conference on Volume6，20-24 June 2004，3646-3651
[7] Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H．Energy-Efficient communication protocolfor wirelessmicrosensor networks[C]．In：Proc．of the 33rd Annual Hawaii Int’l Conf．On System Sciences．Maui：IEEEComputer Society,2000．3005-3014
[8] 吳臻，金心宇．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH 算法的改進[J]．傳感器技術(shù)學(xué)報，2006．19(1)：34-37
[9] Jonathan M．Reason,Jan M．Rabaey．A Study of Energy Consumption and Reliability in a Multi—Hop SensorNetwork[C]．Mobile Communications Review,Volume 8，Issue l
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