基于WSN帶狀網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的出現(xiàn)使得很多復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測(cè)得以實(shí)現(xiàn)，而路由協(xié)議是WSN中的一個(gè)重要研究方向。本文主要研究在帶狀網(wǎng)絡(luò)中WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以LEACH協(xié)議為基礎(chǔ)，針對(duì)其局限性，提出了一種改進(jìn)的路由協(xié)議L-P。通過(guò)仿真表明改進(jìn)后的協(xié)議的確在可靠性和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期方面比LEACH協(xié)議優(yōu)越，更適應(yīng)在帶狀網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）；LEACH協(xié)議；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；帶狀網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 (2012) 14-0052-02

一、概述

路由協(xié)議一直以來(lái)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要研究方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)，其主要目標(biāo)是在滿足應(yīng)用需求的情況下盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)的能耗，通過(guò)有效地能量管理技術(shù)避免網(wǎng)絡(luò)連通性的惡化，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。但是由于WSN中節(jié)點(diǎn)的處理能力和能量有限的局限性，傳統(tǒng)的路由協(xié)議無(wú)法滿足它的要求，很大程度的影響了路由協(xié)議的研究，因此本文的目標(biāo)是針對(duì)帶狀網(wǎng)絡(luò)研究一種改進(jìn)的路由協(xié)議L-P。該協(xié)議以LEACH為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，更適應(yīng)帶狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

二、路由協(xié)議分析

LEACH協(xié)議通過(guò)隨機(jī)選舉簇頭避免了簇頭過(guò)分消耗能量；通過(guò)簇頭的數(shù)據(jù)融合有效減少了通信量，從而提高了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。但該協(xié)議采用單跳通信，擴(kuò)展性差，雖然傳輸時(shí)延較小，但要求節(jié)點(diǎn)具有較大通信功率，不適合大規(guī)模應(yīng)用；即使在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)由于采用大功率通信會(huì)消耗大量能量，導(dǎo)致生存時(shí)間較短；而且頻繁的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化和大量額外的廣播也會(huì)耗費(fèi)很多能量。

（三）LEACH協(xié)議的不足

LEACH協(xié)議雖然是分簇類(lèi)協(xié)議有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，但仍有一些地方有待商榷，直接應(yīng)用于長(zhǎng)帶狀狀網(wǎng)絡(luò)還是有很多不適應(yīng)的地方，仍需要根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

（1）簇頭的選擇只遵循等概率，而沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果一個(gè)能量較低的節(jié)點(diǎn)被選作簇頭，就很容易因大工作量耗盡能量而失效，因而縮短了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

（2）簇頭是選取隨機(jī)的，無(wú)法保證簇頭節(jié)點(diǎn)的合理分布，如果某區(qū)域附近沒(méi)有簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)就要選擇加入距離較遠(yuǎn)的簇，這樣就增加簇頭和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信距離，使得能量消耗增大。

（3）所有的簇頭都是直接與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，那么離匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)的簇頭能量就消耗得越快，生存時(shí)間就越短，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也因此受到影響。工作面環(huán)境復(fù)雜，通信距離經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)也就30m左右，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都直接與匯聚節(jié)點(diǎn)通信是不可能的。如果只是簡(jiǎn)單的其之間采用多跳路由，那么離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)因?yàn)槎噍喍啻无D(zhuǎn)發(fā)其他簇頭的數(shù)據(jù)，能量消耗的更多。而且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，死亡越快，從而影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)向一個(gè)方向傳輸，會(huì)形成一頭大一頭小的“棒槌”式結(jié)構(gòu)，這必然造成能量的不均衡分布。

（4）傳感器節(jié)點(diǎn)在加入簇時(shí)僅考慮通信能耗最小，不考慮簇的負(fù)載程度，這會(huì)導(dǎo)致各個(gè)簇中的節(jié)點(diǎn)數(shù)嚴(yán)重不均衡，不利于簇首能量的均衡消耗和網(wǎng)絡(luò)生命周期的延長(zhǎng)。

四、改進(jìn)的路由協(xié)議研究

（一）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（二）算法設(shè)計(jì)

L-P協(xié)議也是基于分簇的路由協(xié)議，但不同于LEACH，由于網(wǎng)絡(luò)呈長(zhǎng)帶狀分布，若采用單跳路由形式，距離匯聚節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)能量很容易耗盡。故該協(xié)議采用簇間單跳的動(dòng)態(tài)方式傳遞信息。簇頭一旦確定，簇便隨機(jī)建立，每簇的簇頭就成為中繼節(jié)點(diǎn)。這樣就由簇頭節(jié)點(diǎn)組成了多條能夠遍歷整個(gè)區(qū)域的簇頭鏈，但路徑質(zhì)量和通信代價(jià)良莠不齊，而不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸路徑的能耗或可靠性的要求各有高低。因此通過(guò)對(duì)每條候選路徑的能耗或丟包率的比較，最終確定一條符合要求的簇頭鏈。如果數(shù)據(jù)融合量很小，數(shù)據(jù)流就會(huì)呈“棒槌”狀，越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量越大，造成的“熱區(qū)”問(wèn)題。故本文利用非均勻分簇的思想，越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)簇的規(guī)模越小，來(lái)解決“熱區(qū)”問(wèn)題，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間達(dá)到增加網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

五、仿真與分析

本文通過(guò)對(duì)LEACH協(xié)議和改進(jìn)的L-P協(xié)議進(jìn)行了仿真和比較。主要從丟包率和生存節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)這兩個(gè)方面分析，說(shuō)明該進(jìn)的協(xié)議的優(yōu)勢(shì)。

六、結(jié)論

丟包率和存活節(jié)點(diǎn)數(shù)是衡量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性和網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要指標(biāo)。L-P協(xié)議在這兩方面都要優(yōu)越于LEACH協(xié)議，改進(jìn)后的簇首選擇機(jī)制，非均勻成簇方式和簇間通信機(jī)制的確提高了網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議可靠性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。由此可見(jiàn)，改進(jìn)后的L-P協(xié)議更適應(yīng)帶狀網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信應(yīng)用。

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