WSN的一種基于能量估算的集中式分簇路由協議＊

劉國梅

（鄭州航空工業管理學院 計算機科學與應用系，鄭州450015）

劉國梅（講師），研究方向為無線傳感器網絡、嵌入式系統。

引 言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）［1］是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一個自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。由于無線傳感器網絡節點的能量、存儲空間、計算能力等的限制，使得傳統的無線路由協議不適合無線傳感器網絡［2］。因此，設計能夠有效節約能量、延長網絡生命周期的路由協議，對無線傳感器網絡來說意義重大。分簇路由協議在這方面具有很好的性能。

LEACH （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）［3］協議是無線傳感器網絡中第一個基于分簇的路由協議，通過周期性地隨機選舉簇首來保證節點有相等的機會成為簇首，均衡節點能量的消耗，從而達到延長網絡生命周期的目的。其成簇思想貫穿于其后提出的很多分簇路由協議中，如 TEEN（Threshold－sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）［4］、PEGASIS（Power Efficient GAthering in Sensor Information System）［5］等。LEACH－C （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy－Centralized）［6］是LEACH協議的一個特定版本，是一種集中式的簇首產生算法。在LEACH－C中，當每輪開始時，每個節點將自身地理位置和剩余能量等信息報告給基站，基站根據這些全局信息挑選簇首，能夠確保簇首的數量和位置最優，性能比LEACH協議有了顯著提高。但是，這種算法由于每次都與基站進行交互，增加了不少的能量消耗。

針對無線傳感器網絡中LEACH－C協議存在的不足，本文在對LEACH－C協議研究的基礎上提出一種基于能量估算的集中式分簇路由協議LEACH－EE（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy－Energy Estimate）。該協議通過對能量消耗進行估算，減少傳感器節點與基站的通信量，從而節約整個網絡的能耗。

1 網絡模型及無線通信能耗模型

1.1 網絡模型

本文假設n個傳感器節點隨機分布在區域A內，并且該傳感器網絡具有如下特性：

① 網絡部署完畢后，所有節點都是靜止不動的，節點能夠獲知其位置信息。

②網絡規模小，所有節點都可以直接與基站通信。基站唯一且位置固定。

③ 普通節點能量有限，且具有相同的計算、通信能力和初始能量，而基站的能量和計算能力沒有限制。

④ 傳感器網絡是主動型的傳感器網絡，負責持續監測周圍環境現象并以恒定速率發送數據。

⑤ 傳感器節點的數據融合比例系數為β，即ktrans＝krec／β，其中krec、ktran分別表示傳感器節點接收到的數據包長度和融合后形成的數據包長度。

1.2 無線通信能耗模型

采用與參考文獻［7］相同的無線能耗模型。發送數據時的能量消耗為：

接收數據時的能量消耗為：

其中，k為發送數據bit值；d為實際通信距離；d0為距離閾值，當傳輸距離小于d0時，功率放大損耗采用自由空間模式，否則采用多路徑衰減模式；Eelec表示節點電路發送和接收每bit數據的耗能；εfx和εamp分別表示放大器在2種衰減模型下的能耗系數。

2 基于能量估算的集中式分簇路由協議

本文提出的基于能量估算的集中式分簇路由協議LEACH－EE的思想如下：

① 網絡部署完畢后，每個節點將自己的位置和當前能量等信息發送給基站，基站運用類似LEACH－C的思想選擇合適的簇首并進行簇的劃分，并給每個簇加上簇標識，如c1，c2，c3，…，cn等。最后基站將簇首、簇標識、簇結構等信息廣播出去，分簇完成。

②接著是一輪數據傳輸的穩定階段。在這一階段，傳感器節點將監測數據傳輸給簇首，簇首將數據融合后加上簇標識，然后把數據傳輸給基站，基站統計每個簇發送過來的數據量。當一輪數據傳輸結束后，基站根據這輪接收到的每一個簇的數據量估算出本輪中這個簇內所有節點的能量剩余情況。具體如下：

假設第m（m＝1，2，3，…）輪基站接收到簇標識為ci的簇的數據量為k bit，那么該簇內節點的能量剩余情況估算分兩種情況：

a）簇首的能量剩余。簇首的能量消耗包括以下三部分：接收簇成員節點發送過來的數據的能耗、融合數據需要的能耗和將融合后的數據轉發給基站的能耗。因此簇首的能耗為：

假如簇首節點的初始能量為E0，則第一輪數據傳輸后，估算簇首的剩余能量 Ei，0，1estimate為：

b）簇內其他成員節點的能量剩余情況估算。簇內其他成員節點的能量消耗只有發送數據時的能量消耗。由于采用的網絡模型中各個傳感器節點以恒定的速率發送數據，所以本文近似認為簇內每個成員節點發送的數據量是均衡的。因此，假設簇ci內有ni個成員節點，則該輪中每個簇內成員節點發送數據量k′近似為k′＝k／ni。

記該簇內成員節點j到簇首的距離為dij（為了節省網絡能耗，要求dij＜d0），根據能量消耗公式（1），則該成員節點第m輪的數據能耗為：

這樣，一輪數據傳輸結束之后，基站可以近似估算出所有節點的剩余能量，并根據這些估算值重新選擇合適的簇首并進行簇的劃分，開始新一輪的工作。

③ 當間隔一定的輪數（相當長的一段時間），或者傳感器節點的能量低于一定的值，或者有新成員節點加入時，基站再要求傳感器節點匯報自己的能量等信息，并根據接收到的信息重新校正估算的各個節點的剩余能量，使這些數值精確，然后再重新進行簇首的選擇和簇的劃分。

比起LEACH－C，LEACH－EE協議不需要傳感器節點每輪結束后向基站匯報自己的位置、能量等信息，節省了能量開銷。同時，由于間隔一定的時間會對估算值進行精度調整，所以LEACH－EE協議的性能比較好。

3 仿真及結果分析

本文使用Matlab對LEACH－EE協議進行仿真，并和LEACH、LEACH－C協議進行比較。仿真場景設置如下：100m×100m的區域內隨機部署50個傳感器節點，基站位于坐標（50，50）處，節點的初始能量為1J，數據包大小為2000bit，Eelec＝50nJ／bit，εfx＝10pJ／（bit·m2），εamp＝0.0013pJ／（bit·m4），d0＝87.7m，β＝1000，數據融合的能耗EDA＝5nJ／bit。本文從簇首的分布位置、網絡總能量消耗、網絡的節點存活數三方面對比了LEACH、LEACHC和LEACH－EE協議，并給出了LEACH－EE協議中不同時刻能量估算的誤差圖。

（1）簇首分布位置

圖1顯示了3種分簇路由協議不同時刻的簇首分布位置。LEACH在100s時簇首數目為5，在200s時簇首數目為3，由于節點隨機當選簇首造成其個數和分布不太理想；LEACH－C和EACH－C在100s時簇首數目為4，到200s時簇首數目仍然為4，避免了分簇數過大或過小造成的能量消耗，而且從圖1中可以看出，LEACH－EE的簇首分布位置與LEACH－C很接近，在網絡中一直都很均勻，說明LEACH－EE成簇效果與LEACH－C相當。

圖1 不同時刻簇首分布位置

（2）能量估算誤差

圖2顯示了LEACH－EE協議不同時刻能量校正時，計算出的所有節點的能量估算值和節點匯報的能量值之間的總誤差。從圖2中可以看出，總的來說，估算的能量誤差并不算大。

圖2 不同時刻能量估算總誤差

（3）網絡總能量消耗

網絡節點總能耗情況如圖3所示，圖中的橫坐標是仿真時間，縱坐標是50個節點的總的能量消耗。可以清楚地看到，大部分時間段里，總的能量消耗：LEACH－EE＜LEACH－C＜LEACH。

圖3 網絡節點總能量消耗與時間的關系

（4）網絡節點存活數

圖4為網絡節點存活數隨時間的變化情況，可以看到，LEACH－EE 的 節 點 存 活 率 要 好 于 LEACH－C和LEACH協議。這50個傳感器節點，如果使用LEACH協議發送數據，則時間持續403s后網絡中的節點全部死亡；使用LEACH－C協議，則時間持續448s后所有的網絡節點全部死亡；而如果采用LEACH－EE協議，則時間持續到502s后網絡中的節點才全部死亡。

圖4 節點存活數與時間的關系

結 語

路由協議是無線傳感器網絡的重要研究內容，它的性能直接影響整個網絡的運行效率。本文從節省能量、延長網絡生命周期的角度，對LEACH－C協議進行了改進，提出了一種基于能量估算的集中式分簇路由協議LEACH－EE。通過能量消耗模型，基站根據接收到的各個簇的數據量來估算每個簇內節點的能量消耗情況，并根據估算結果重新確定下一輪的簇首和簇結構。只有在一定條件下，或者間隔相當長的時間，才需要傳感器節點向基站匯報自己的能量等信息。仿真結果表明，與LEACH、EACH－C協議相比，LEACH－EE協議能更好地降低網絡能耗，延長網絡的生存周期。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感網絡［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［2］汪秉文，王偉，郭樂江，等.一種新型基于分簇的能量高效數據收集和融合協議［J］.小型微型計算機系統，2012，33（3）：448－451.

［3］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energy－efficient communication protocol for wireless sensor networks［C］／／Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences，Maui，Hawaii，2000：3005－3014.

［4］Manjeshwar A，Agrawal DP.TEEN：A Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks［C］／／Proceedings of 15th International Parallel and Distributed Processing Symposium，San Francisco，California，2001：2009－2015.

［5］Lindsey S，Raghavendra CS.PEGASIS：power－efficient gathering in sensor information systems［C］／／Proceedings of the IEEE Aerospace Conference，Montana，2002.

［6］Siva D M G，Ma D C F.A Centralized Energy－efficient Routing Protocol for Wireless Sensor Networks［J］.IEEE Radio Communications，2005，43（3）：8－13.

［7］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.An Application－specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1（4）：660－670.