一種無線傳感器網絡鏈式傳輸分簇路由協議*

趙菊敏， 張子辰， 李燈熬

(太原理工大學 信息工程學院,山西 太原 030024)

0 引 言

無線傳感器網絡是由布設在某檢測區域內大量的無線傳感器節點所構成。其通過無線信號傳輸通信的方式，組成一個自組網絡，并通過節點間多跳的方式傳播信號[1]，最終將信號傳送到相應基站(中心匯聚節點)。無線傳感器網絡具有對其所覆蓋的環境進行數據采集、環境監控、時間同步定位等功能，已經大量應用到軍事國防、生物醫療、搶險救災等領域[2]。

在無線傳感器網絡中，路由的選擇極為重要，一個較好的路由可以增長網絡的存活時間，提高網絡的穩定性。現階段LEACH( low energy adaptive clustering hierarchy)路由協議是一種最經典最成熟的路由協議。其利用分簇的方式，將網絡分為幾個小部分，在簇內各個節點將信號傳遞給簇頭，再由簇頭傳送給基站。LEACH協議具有一定的局限性，在特定環境下可能會造成網絡不穩定和不能正常工作的情況。本文設計以LEACH算法為基礎，提出了一種適應長直空間環境，信號從內部單向傳輸到外部(基站位置)的鏈式傳輸分簇路由路由協議(cluster-based routing protocols of chain transmission,CRPCT)。本協議中簇頭節點不是直接將信號傳遞給基站，而是由空間內部的簇頭采用鏈式的方法逐一向外部傳輸,克服了內部節點死亡過快的問題。同時，簇內也采用鏈式傳輸。在簇頭和成簇半徑的選擇上也做了改進，穩定了成簇個數。最終降低了網絡的能量消耗，提高了穩定性。

1 網絡模型與能量模型

1.1 網絡模型

本文采用隨機播撒無線傳感器的方法布設傳感器節點，這種方法可以較為均勻的隨機布設傳感器節點，這樣在部分節點死亡后，整個網絡依然可以保證正常的工作，大大提高了整體網絡的穩定性。同時假設傳感器網絡滿足以下條件:

1)無線傳感器節點被隨機的分布在某個M1×M2的區域，同時,每個傳感器節點在整體工作網絡中只有唯一身份(地址)標識。

2)所有傳感器節點都應安裝有GPS模塊，并可以在所布設的環境條件下準確地測算出自身地理位置。

3)基站和所有節點在網絡生存周期內都是靜止不動的，并且基站搭建在離傳感區域不遠的某位置。同時，傳感器節點與基站之間的通信能耗應遠大于普通節點相互之間正常通信的能耗。

4)在網絡中，所有傳感器都為同一種傳感器，并且節點都是能量受限的。

5)節點可根據數據傳輸距離的不同，小幅度地調整傳感器自身的發射功率。

6)傳感器節點能量都由自身電池提供并且不能更換，當節點初始能量耗盡后節點即死亡。

7)基站能量不受限制，計算和存儲能力較強。

1.2 能量模型

傳感器節點所消耗的總體能量由接收模塊、發送模塊等因素組成；發送模塊的能耗由信號發送電路消耗的能量和放大電路所消耗的能量共同組成，如圖1所示。

圖1 網絡能耗模型

發送模塊發送電路消耗能量數學模型為[3]

ET=ET×Efs+Efs×dλ=Eelec×k+Efs×k×d2,d≤d0,

(1)

ET=ET×Efs+Efs×dλ

=Eelec×k+Eamp×k×d4,d>d0.

(2)

接收模塊所消耗的能量數學模型為[3]

ER=Eelec×k,

(3)

式中ET，ER分別為發送部分與接收部分傳感器所消耗的能量，k為數據量值參數，Eelec為發送1 bit數據電路的消耗。由于無線通信存在遠距離傳送信號，因此,傳輸模式分為自由空間模型和多徑衰落模型。當d≤d0,采取自由空間模型，同時，Efs為自由空間衰減放大器的能量消耗模型參數[4]。當d>d0，采取多徑衰落模型，Eamp為多徑衰落放大器的能量消耗模型參數[4]。

2 算法描述

2.1 通信數據傳輸

無線傳感器網絡在某一長直空間內進行通信，通信信號需要由內部(最深處)傳輸到外部，基站位于長直空間的最外端。很明顯較深處的節點要比靠外的節點消耗能量多，因此,LEACH協議在這種長直空間內應用會遇到多種困難，例如:較深處節點死亡過快，分簇不均勻等。為了適應此環境，本文設計了新的簇頭選擇方式，采用不同的分簇方法，節點鏈式聯通結構和簇頭節點多跳的傳輸方式來克服長直空間內節點數據單向傳輸等問題。通信數據流向如圖2。

圖2 數據流向圖

由圖2非常明顯看出：在空間較深處(距離基站較遠)的節點在進行傳輸數據時，需要傳輸更遠的距離(相比于空間中距離基站較近的節點)。因此，會損耗更多的能量。

1)在簇建立階段，針對于LEACH的簇頭分布不均勻和能量過小的節點仍有可能被選為簇頭的不足，本算法采用一種適長直空間的閾值設定方法[5]

n∈G.

(4)

2)在數據采集融合階段，簇頭采用多跳的傳輸方式，這樣更加適合長直空間的數據傳輸。簇頭節點不再單獨直接傳送數據給基站,而是將全部簇頭節點根據其剩余能量與到基站的距離;首先確定根節點，再將每個簇頭以多跳的方式聯接起來。設立權重值

(5)

其中,Ec為節點剩余能量，Estart為節點初始能量，Dsink為節點到基站距離。[6]各個簇頭通過公式計算出權值，選擇權值大于自己，并且距離自身最近的簇頭為自己的父節點;以此類推，網絡中權值最大將成為最終根節點，簇首應該距離基站較近，并且直接發送信息給基站,其示意圖如圖3，圖4。

圖3 簇頭將數據直接傳送到基站

圖4 簇頭采用多跳方式傳輸數據

3)普通簇節點是成鏈的方式向簇頭節點傳送數據，簇成員分別從簇頭的2個方向以貪婪算法形成2個節點鏈，匯聚到簇頭上。這樣,每個簇節點就可以只接收發送融合數據1次，大大降低了節點的能耗。節點能耗模型如下

Ec=2×k×(Eelec+Ed).

(6)

其中,Eelec為發送1 bit數據消耗的能量，Ed為融合1 bit數據所消耗的能量[7],k為傳送數據量。LEACH算法的節點能耗模型為

Eleach=(n-1)×k×(Eelec+Ed).

(7)

因此

ΔE=Eleach-Ec=(n-3)×k×(Eelec+Ed).

(8)

很明顯,采用鏈式傳輸結構可以節省節點消耗能量。

2.2 算法執行方法

本算法采用與LEACH相似的的執行方法，整個流程分為簇建立和穩定階段2個階段。簇的建立又包括簇頭的選擇和分簇等階段，之后還要進行簇間多跳和簇內成鏈的簇重組階段。穩定階段主要是數據采集和傳輸。一個輪次的時間就是簇建立階段的時間和穩定時間的總和，這其中穩定階段的時間必須大于簇建立階段的時間[8]。其示意圖如圖5。

圖5 算法協議的運作周期圖

算法執行步驟如下：

簇頭選取過程中，各節點計算自身剩余能量，并且計算出修改后的閾值和權值后，確定簇頭節點。確定簇頭節點后，各個簇頭節點向外廣播簇頭信息Head_massege,告訴周圍節點自己是簇頭并廣播自身ID和權值，同時建立3個集合cluster_choices ，cluster_M和cluster_Dist分別存放其他簇頭ID，其他簇頭的權值和其他簇頭到本簇頭的距離;之后,等待普通節點發送join信息。各個節點根據成簇半徑Ri計算自身位置，根據接收簇頭信號的強度和ID選擇離自己距離較近的簇首發送 Node_massege信息和join信息要求加入該簇，簇建立完成。

分簇完成后進行簇頭多跳和簇間鏈式傳輸的簇重組階段。首先各個簇頭通過上次收到得其他簇頭權值，確定根節點與自身父親節點。在自身的Head_next中存儲自己父親節點的ID，準備在發送信息的時候將信息直接發送給父親節點。簇成員節點也采用成鏈的方式進行數據傳輸。在一個簇內兩端距離簇頭最遠的2個節點向簇頭以貪婪算法形成2個節點鏈，向簇頭傳遞信息[9]。節點分布圖如圖6、圖7。

圖6 LEACH算法節點分布圖

圖7 CRPCT節點與分簇分布圖

由圖6中LEACH節點分布圖可以看出實心節點為簇頭節點，簇頭節點明顯分布不均勻，而且有的簇頭節點相鄰過近，這樣會在很大程度上影響算法的執行，增大能耗。圖7中顯示簇內節點的鏈式連接結構，虛線為簇頭多跳連接示意，實線圓圈為簇頭成簇半徑，實直線范圍內為每一塊的分簇范圍。CRPC算法的簇頭明顯分布均勻，克服了LAECH算法分簇不均的問題。

圖8、圖9分別為算法的死亡節點示意圖，小星號是死亡節點，CRPCT死亡節點從左下方基站位置開始，符合算法要求。

圖8 LEACH算法死亡節點示意圖

圖9 CRPCT算法死亡節點示意圖

數據采集階段，本算法采用以TDMA[10]時隙數據從簇成員傳輸鏈最外端的簇節點向簇頭傳輸數據，并最終將數據傳輸給簇頭。簇頭進行數據融合處理后，再以CDMA編碼方式進行簇間數據傳輸，目的是為了減小簇間干擾并最終以多跳的方式傳輸到基站。算法的執行流程如圖10。

圖10 算法執行流程圖

3 仿真結果

為了測試CRPCT性能，本文采用Matlab進行模擬仿真。實驗設計參數如下：

1)整個無線傳感器網絡覆蓋區域為200 m×200 m的區域內；

2)基站位置為坐標(-50，-50)m點；

3)傳感器節點個數為200；

4)每個節點的初始能量為0.5 J；

5)數據分組大小為2 000 bits；

6)發送1 bit數據消耗的能量Eelec為50 nJ；

7)融合1 bit數據所消耗的能量Ed為5 nJ。

本文將對系統生命周期和總體能耗進行的仿真，對比LEACH算法與CRPCT算法，突出本算法的優越性。

圖11為系統生命周期圖， LEACH算法大概在180輪時出現第一個死亡節點，620輪左右節點全部死光，而CRPCT算法大約在700輪左右才出現第一個死亡節點，1000輪左右節點才全部死光，很明顯CRPCT算法大大推遲了節點死亡的時間,并且從圖中可以看出CRPCT算法的曲線相對平滑，這證明本算法比LEACH更加穩定。

圖11 系統生命周期圖

圖12為網絡總體能耗圖，很明顯CRPCT算法在1 000輪左右能量消耗完，而LEACH算法在600輪左右能量就已經消耗完，CRPCT比LEACH提高了近70%，大大節省了能量，并且曲線平滑，提高了穩定性。

圖12 網絡總體能耗圖

4 結束語

本文采取鏈式傳輸路由協議去解決長直空間內較深處加點能量消耗過大和節點死亡過快問題。顯著特點為：1)添加簇頭閾值參數，使能量消耗分布均勻，避免簇頭節點相鄰過近，同時適應長直空間環境。2)簇內形成鏈式傳輸，簇間簇頭成鏈多跳傳輸，減少節點間傳輸能量消耗，提高系統的穩定性。同時,本算法繼承了LEACH算法的操作簡單，算法執行率高的特點，有很高的可行性和創新性。

參考文獻:

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