一種新穎的高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

摘要：在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上進行改進提出了一種高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——LEACH－M。LEACH協(xié)議中，簇首節(jié)點與基站之間直接傳送數(shù)據(jù)，離基站較遠區(qū)域的簇首能耗較大，這影響了系統(tǒng)壽命。LEACH－M協(xié)議在簇首形成階段采用CSMA/CA(carrier sense multi－access with collision avoidance)作為MAC協(xié)議，并在簇首節(jié)點與基站之間引入了改進的多跳路由算法，使網(wǎng)絡(luò)中各簇的能耗更加均勻。仿真結(jié)果表明，與LEACH相比，LEACH－M協(xié)議具有更好的能量有效性，并且提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 低功耗自適應(yīng)集群構(gòu)架; 多跳路由; 帶碰撞避免的載波偵聽多址訪問

中圖分類號：TP393.04

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)06－1879－03

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點是監(jiān)測精度高、容錯性高、覆蓋區(qū)域大。它在軍事、醫(yī)療、環(huán)境檢測和智能探測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1， 2]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中有很多嚴(yán)格的限制，如節(jié)點的尺寸、重量、能耗、成本等[3]。其中，最關(guān)鍵的是能耗問題。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點成千上萬，而且通常被布置在環(huán)境惡劣或者很難到達的區(qū)域，給節(jié)點更換電池是不現(xiàn)實的，設(shè)計精良的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以有效降低能耗，延長WSN的生命期。

由于無線傳感器廣闊的應(yīng)用前景，近年來對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究也逐步深入。涌現(xiàn)出了許多協(xié)議體系。其中S－MAC[4]是一個單信道的基于競爭的MAC(media access control)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點定期開啟固定長的偵聽時間，在此時間內(nèi)競爭發(fā)送和接收的時隙，未競爭到時隙的節(jié)點等待下一次競爭機會。T－MAC[5]是在S－MAC的基礎(chǔ)上的改進，節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量改變信道偵聽的占空比，有效地減少了空閑偵聽。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于鄰居節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通常相關(guān)性很強，分簇結(jié)構(gòu)可以有效地利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)去除冗余信息，許多協(xié)議采用了分簇結(jié)構(gòu)。比如APTEEN[6]協(xié)議采用了增強TDMA(time division multiple access)方式提高了簇內(nèi)輪詢的效率。在HiPERMAC[7]協(xié)議中，簇內(nèi)節(jié)點一部分采用TDMA方式；一部分采用CSMA/CA[8]方式，綜合了競爭類和非競爭類協(xié)議的優(yōu)勢，進一步提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。

在分簇的協(xié)議當(dāng)中，LEACH[9]協(xié)議的性能比較突出。它的優(yōu)勢就是節(jié)點自組織形成簇，簇內(nèi)節(jié)點輪流做簇首，節(jié)點能耗低、網(wǎng)絡(luò)延遲小，非常適合無線傳感器的特點。在LEACH協(xié)議中，簇首節(jié)點收集其他同簇節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合去除冗余信息后，最終發(fā)送給基站。但是，在LEACH協(xié)議中，簇首節(jié)點是單跳路由直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，這將導(dǎo)致離基站較遠的節(jié)點電池能量最先耗盡，從而影響網(wǎng)絡(luò)的壽命。如果采用簡單的多跳路由，離基站較近的節(jié)點由于多次轉(zhuǎn)發(fā)遠端節(jié)點的數(shù)據(jù)，電池能量將會首先耗盡，也會影響整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。本文針對上述問題，在簇首節(jié)點和基站之間引入改進的多跳路由算法；另外在簇首形成階段采用了CSMA/CA作為MAC協(xié)議，可以顯著提高整個網(wǎng)絡(luò)的能量有效性，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

1LEACH協(xié)議

在LEACH協(xié)議中，整個傳感器的工作過程被分為很多輪。每輪包括建立階段和穩(wěn)定階段。穩(wěn)定階段又分為很多幀。在每輪的建立階段，所有節(jié)點通過廣播通信自組織成簇，每個簇有一個節(jié)點作為簇首。簇形成后，簇首負責(zé)為簇內(nèi)節(jié)點建立一個TDMA方案。在簇建立階段，所有節(jié)點用CSMA(carrier－sense multiple access)MAC協(xié)議[10]廣播短消息通信。簇建立完成后，簇內(nèi)節(jié)點根據(jù)簇內(nèi)TDMA方案將每幀采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點；簇首節(jié)點在每幀的最后將經(jīng)過融合去除冗余信息的數(shù)據(jù)傳送給基站。圖1顯示了上述過程。

在LEACH中一個潛在的問題是所有簇首節(jié)點都直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。如果傳感器的節(jié)點分布在很廣的范圍內(nèi)，有的節(jié)點離基站很近，有的節(jié)點離基站較遠，那么節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所經(jīng)過的距離會相差很多。根據(jù)文獻[11]的論述，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所需的能量與距離的平方成正比。因此，多輪過后，離基站近的節(jié)點和離基站遠的節(jié)點剩余能量相差懸殊。如果所有節(jié)點初始能量相同，那么距離基站遠的節(jié)點就會先因能量耗盡而死去。整個網(wǎng)絡(luò)的性能也因此受到影響。如果只是簡單在簇首節(jié)點和基站間采用MTE[12]多跳路由，那么距離基站較近的節(jié)點因為多輪多次轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首發(fā)給基站的數(shù)據(jù)，消耗能量更快。特別是當(dāng)節(jié)點數(shù)目較多、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大的情況下，更容易死掉，也會影響網(wǎng)絡(luò)壽命。圖2、3分別顯示了上述兩種情況。

此外，LEACH協(xié)議中，在簇建立階段，節(jié)點用CSMA協(xié)議廣播短消息通信，所有節(jié)點共用一個頻段。因為CSMA缺少碰撞避免機制，節(jié)點很有可能因為發(fā)送的信息碰撞無法成為任何簇的成員，也降低了網(wǎng)絡(luò)的性能。

2LEACH－M協(xié)議

2．1協(xié)議的提出

為了解決上述問題，本文提出了LEACH－M協(xié)議。首先，在簇首形成階段，LEACH－M協(xié)議采用了CSMA/CA代替LEACH中的CSMA，引入了碰撞避免機制。其次，簇首節(jié)點和基站之間采用基于能量比較的MTE路由算法，而簇內(nèi)節(jié)點和簇首節(jié)點之間仍直接傳送數(shù)據(jù)。

關(guān)于傳感器節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)模型的一些假設(shè)：

a)節(jié)點。假設(shè)節(jié)點有足夠能量可以把數(shù)據(jù)傳送到基站，節(jié)點使用功率控制更改傳輸功率。每個節(jié)點具有支持多種不同MAC協(xié)議的計算能力以及信號處理能力。由于射頻硬件以及低功率計算技術(shù)的發(fā)展，這些假設(shè)是合理的。

b)網(wǎng)絡(luò)模型。節(jié)點總是有數(shù)據(jù)要傳送到最終用戶，節(jié)點相互靠得很近因而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。

2．2協(xié)議的細節(jié)

2．2．1簇建立階段

在本階段開始時，整個網(wǎng)絡(luò)要設(shè)定一個定時器來確定簇建立階段什么時候終止，穩(wěn)定階段什么時候開始。這樣，整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點才能同步。接下來，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點要根據(jù)概率Pi(t)決定自己是否在本輪成為簇首。計算概率Pi(t)的算法在文獻[9]中給出，該算法確保網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點輪流充當(dāng)簇首。

當(dāng)簇首節(jié)點確定之后，各個簇首節(jié)點通過CSMA/CA發(fā)送一個通告消息。該通告消息的內(nèi)容包括消息的標(biāo)志、該節(jié)點ID、該節(jié)點位置信息、該節(jié)點當(dāng)前剩余能量信息以及惟一的擴頻碼字。其中，擴頻碼是下面其他節(jié)點向該節(jié)點擴頻傳送數(shù)據(jù)時使用，節(jié)點能量信息和位置信息在確定多跳路由時使用。在這一階段，當(dāng)節(jié)點成為簇首后，要隨機延遲t1時間再發(fā)送通告消息。隨機延遲t1均勻分布在0~T1。T1要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)簇首數(shù)量和簇首間的延遲合適選取，要大于網(wǎng)絡(luò)中任何兩個簇首間消息的傳送時間。一旦發(fā)生碰撞，要再隨機延遲t1時間重發(fā)。應(yīng)用上述方法可以保證每個簇首的通告消息在不同時刻到達同一節(jié)點，這樣可以最大限度地避免碰撞發(fā)生。

接下來的一段時間里，每個節(jié)點均會收到幾個不同簇首節(jié)點的通告消息。每個節(jié)點根據(jù)收到信號的強度選擇一個簇加入。一般情況下，認為信號越強，簇首節(jié)點距離越近。所以選擇信號最強的簇首節(jié)點組成簇。與上述過程一樣，當(dāng)節(jié)點決定所要加入的簇后，先隨機延遲t2，然后向所選擇的簇首節(jié)點發(fā)送加入消息。當(dāng)簇首節(jié)點收到某個節(jié)點的加入消息后，它向該節(jié)點發(fā)送應(yīng)答消息。應(yīng)答消息的內(nèi)容包括TDMA方案和該節(jié)點的時隙號。當(dāng)該節(jié)點收到簇首節(jié)點的應(yīng)答消息后，立刻向該簇首節(jié)點回復(fù)ACK消息。如果簇首節(jié)點在等待固定時間t3還沒收到該節(jié)點的ACK消息，就再次向該節(jié)點發(fā)送帶有TDMA方案的應(yīng)答消息，直到定時器時間到要開始穩(wěn)定階段的時刻或者收到該節(jié)點的ACK消息。采用這樣的方法可以最大限度地防止節(jié)點被所有簇拋棄的情況發(fā)生。節(jié)點一旦明確了自己與簇首節(jié)點通信的時隙后在穩(wěn)定階段開始時就可以休眠，等待發(fā)送數(shù)據(jù)時再蘇醒。

2．2．2穩(wěn)定階段

簇建立完畢后，開始穩(wěn)定階段。穩(wěn)定階段分成好多個幀。穩(wěn)定階段比簇建立階段時間長，以保證每個節(jié)點有多個時隙來發(fā)送數(shù)據(jù)。在穩(wěn)定階段的每個幀中，節(jié)點在相應(yīng)的時隙向簇首節(jié)點發(fā)送采集來的數(shù)據(jù)。簇首節(jié)點在每個幀結(jié)束的一段時間里進行數(shù)據(jù)融合去除冗余信息后將數(shù)據(jù)傳送給基站。

根據(jù)本文的協(xié)議，當(dāng)簇首節(jié)點有數(shù)據(jù)向基站傳送時，它要選擇多跳路由，即經(jīng)過一個或多個中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻[12]的理論，LEACH－M的多跳路由算法如下：若簇首節(jié)點A要給基站發(fā)送數(shù)據(jù)包，要計算它和其他所有簇首節(jié)點(設(shè)為X)的函數(shù)D(X)的值。函數(shù)D(X)定義為

只有當(dāng)式(2)(3)同時滿足時，即節(jié)點A到B和B到基站距離的平方和小于A到基站的距離平方，并且A的剩余能量小于等于B的剩余能量時，才選擇B為多跳路由的中間轉(zhuǎn)接節(jié)點。式(2)的意義在于選擇最小的MTE路由以減小距離基站較遠的節(jié)點能量消耗；式(3)的意義是防止距離基站近的簇首節(jié)點因為頻繁轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首節(jié)點的數(shù)據(jù)而先耗盡能量。兩式同時滿足保證了該算法的能量有效性最好，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。

當(dāng)A的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到B之后，B應(yīng)用同樣的算法確定B到基站的路由。在此階段，簇首之間發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)均采用CSMA/CA的MAC協(xié)議。另外，上述所有節(jié)點間發(fā)送的數(shù)據(jù)均采用直接擴頻技術(shù)，即簇內(nèi)通信用該簇首的擴頻碼擴頻，簇首間通信用目的簇首的擴頻碼擴頻。

3仿真結(jié)果

筆者利用流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS－2 (network simulator)對LEACH－M進行仿真。之所以選擇NS－2是因為LEACH協(xié)議是由MIT(Massachusetts Institute of Technology)最先提出并且在NS上仿真實現(xiàn)。其源代碼可以在文獻[9]中提到的網(wǎng)址下載。本文在MIT的LEACH源代碼的基礎(chǔ)上改進實現(xiàn)LEACH－M的協(xié)議模型并與LEACH協(xié)議進行對比。仿真中選擇了100個節(jié)點，1 km×1 km的范圍。

圖4顯示了LEACH協(xié)議中距基站不同距離的三個簇首節(jié)點的能量消耗情況。從圖中可以明顯看出，由于簇首節(jié)點和基站直接傳送數(shù)據(jù)，距離較遠的節(jié)點耗能遠遠大于距離較近的簇首節(jié)點的耗能，甚至達七倍以上。圖5顯示了LEACH－M協(xié)議相應(yīng)節(jié)點的耗能情況。由于采用了改進的多跳路由，三個節(jié)點耗能情況相差不多，距離基站較遠的簇首節(jié)點耗能大幅下降，距離基站較近的簇首節(jié)點因為轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首的數(shù)據(jù)，耗能有所增加，但整個網(wǎng)絡(luò)的能量有效性明顯提高。

圖6顯示了網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點數(shù)目隨時間變化的曲線。仿真初始時每個節(jié)點的能量均為25 J。從圖中可以明顯看出LEACH－M協(xié)議中節(jié)點因為能量耗盡開始死亡的時間比LEACH晚了很多，曲線更陡峭一些。這說明LEACH－M協(xié)議中節(jié)點存活的時間更長，死亡得更迅速。但是，整個網(wǎng)絡(luò)的能量有效性更好，整個網(wǎng)絡(luò)的壽命更長。

4結(jié)束語

本文提出了一種新穎的高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LEACH－M。LEACH－M協(xié)議的一個可能的改進是多跳路由時，不只選擇簇首節(jié)點，而是選擇所有節(jié)點。但存在一個問題是，路由選擇時簇首節(jié)點是蘇醒狀態(tài)，而其他節(jié)點處在休眠狀態(tài)。實際中重新喚醒節(jié)點可能消耗更多的能量，所以還需要作進一步的研究。

參考文獻:

［1］POTTIE G J， KAISER W J. Wireless integrated network sensors[J]. Communications of the ACM， 2000， 43(5):51－58.

［2］AKYLDIZ I F， WELIAN S U， SANKARASUBRAMNIAM Y. A survey on sensor networks[J]. Communications Magazine， 2002， 40(8):102－114.

［3］CHANDRAKASAN A， AMIRTHARAJAH R， CHO S H， et al. Design considerations for distributed microsensor systems[C] //Proc of CICC. 1999:279－286.

［4］YE Wei， HEIDEMANN J， ESTR I N D. Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J]. IEEE/ACM Trans on Networking， 2004， 12(3):493－506.

［5］DAM T V， LANGENDOEN K. An adaptive enery－efficient MAC protocol for wireless sensor networks[C] //Proc of the 1st ACM Confe－rence on Embedded Networked Sensor Systems (SENSYS’03). Los Angeles: [s.n.]， 2003.

［6］MANJESHWAR A，ZENG Q A，AHARWAL D P. An analytical model for information retrieval in wireless sensor networks using enhanced APTEEN protocol[J].IEEE Trans on Parallel and Distri－buted Systems， 2002， 13(12):1290－1302.

［7］CHANG K S， KIM W， KANG C G， et al. Hierarchically－paired evolutionary MAC protocol for ubiquitous wireless sensor applications[C] //Proc ofInternational Conference on Consumer Electronics. 2006:321－ 322.

［8］BHARGHAVAN V， DEMERS A，SHENKER S， et al. Macaw: a media access protocol for wireless LANs[C] //Proc of the ACM SIGCOMM Conference. 1994.

［9］HEINZELMAN W B， CHANDRASKAN A P， BLADRISSHNAN H. An application－specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Trans on Wireless Communications，2002， 1 (4):660－670.

［10］PAHLAVAN K，LEVESQUE A. Wireless information networks[M]. New York: Wiley， 1995.

［11］RAPPAPORT T.Wireless communications:principles practice[M]. Englewood Cliffs， NJ:Prentice－Hail， 1996.

［12］ETTUS M. System capacity， latency， and power consumption in multihop－routed SS－CDMA wireless networks[C] //Proc of Radio and Wireless Conf (RAWCON).Colorado: Springer，1998: 55－58.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文