無線傳感器網絡分簇路由協議研究

2014-09-27 17:56:50張雅瓊張慧

現代電子技術 2014年8期

張雅瓊+張慧

作者簡介：張雅瓊（1983—），女，陜西榆林人，講師，碩士研究生。研究方向為物聯網技術、計算機網絡。

張慧（1984—），女，陜西榆林人，講師，碩士研究生。研究方向為物聯網技術、射頻識別技

摘要：經典的分簇路由協議LEACH在無線傳感器網絡中有著非常廣泛的應用，針對LEACH協議在成簇時沒有考慮簇頭節點的能量等因素的缺陷，為延長網絡生存期在LEACH協議基礎之上，在簇頭選擇公式中加入節點剩余能量的參數，使得選舉能量較高的節點為簇頭，提出改進的LEACH協議。并在網絡模擬軟件NS2平臺下，對改進的LEACH協議與原LEACH協議進行仿真比較分析，結果表明改進后的協議中各個節點能耗均衡，避免個別節點過早衰亡，可以延長網絡生存期。

關鍵詞： LEACH；分簇；節點能耗；無線傳感器網絡

中圖分類號： TN911?34； TP393文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）08?0029?03

Research on clustering routing protocol for wireless sensor network

ZHANG Ya?qiong， ZHANG Hui

（College of Information Engineering， Yulin University， Yulin 719000， China）

Abstract： The classical clustering routing ptotocol LEACH is widely used in wireless sensor networks， but the energy of cluster head node is not considered in the clustering process of LEACH protocol. In order to prolong the life cycle of the network， the parameter of node residual energy is added into the cluster head selection formula on the basis of LEACH protocol， so that the nodes which have more energy can be chosen as cluster heads. The improved LEACH protocol is proposed. On experimental simulation platform of the NS2， the improved LEACH protocol and the original LEACH protocol were simulated and compared. The results indicate that the energy consumption of each node in the improved LEACH protocol is balanced， which can avoid premature dead of individual node and extend the network life cycle.

Keywords： LEACH； clustering； node energy consumption； WSN

0引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是物聯網的感知層，由部署在監測區域內的大量微型傳感器節點組成，通過無線多跳通信方式形成的一個Ad?Hoc網絡，目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍中感知的對象信息[1]。WSN中傳感器節點監測得到的數據如何沿著其他節點傳輸，如何到達匯聚節點都是路由協議需要解決的問題。無線傳感器網絡中節點體積小、能量有限使得在設計路由協議時必須遵循能量優先的原則，盡量節能以延長節點的使用壽命。與無線傳感器網絡相比傳統網絡路由協議設計更加關注的是提供較高的服務質量和高效利用網絡帶寬[2]。

1LEACH協議

LEACH協議是WSN中經典的分簇層次型路由協議，是一種低功耗、自適應層次路由算法。其與傳統協議相比LEACH能較好的降低能量消耗，延長網絡的生存時間[3]。

LEACH協議中節點自組織成簇，簇中某個節點擔任簇頭。不同簇之間使用CDMA機制互不干擾，所有簇內成員使用TDMA機制在分配給自己的時隙內將數據發送到簇頭，簇頭接收所有簇成員發送的數據，然后對各成員的數據進行融合，之后各個簇頭根據CSMA機制將數據發送給遠方的匯聚節點[4]。所以簇頭工作量大，故比簇成員能耗大。

LEACH協議是分輪（round）運行的，每輪分為簇的建立和數據傳輸兩個階段。簇的建立階段主要是選舉簇頭并形成各個簇，數據傳輸階段是進行數據傳輸，包括簇成員發送數據到簇頭以及簇頭發送數據到匯聚節點。為了使能量消耗小，通常建立階段較短，傳輸數據階段持續時間要比建立階段的時間長。

成簇過程為：傳感器網絡中所有節點產生一個隨機數，隨機數的范圍在0~1之間，如果這個數小于節點預設的閾值T（n），則該節點成為簇頭節點，同時該節點廣播自己成為簇頭的信息[5]。閾值T（n）的表達式如式（1）所示：

[T(n)=p1-p(rmod1p), if?n∈G?0,???other?] （1）

式中：P是期望的簇頭占所有節點的百分比，即每個節點成為簇頭的概率，取值范圍在4%~5%之間，不同應用場合略有不同；r是當前運行的輪數；G是一個集合，包括在最近[1p]輪中還未當選過簇頭的節點。

LEACH協議存在很多優點的同時，也存在一些缺點，如LEACH協議選擇簇頭時并不考慮節點的剩余能量，這樣可能導致能量較少的節點擔任簇頭，是的能量快速耗盡，加速節點的死亡[6]，縮短網絡生存期。而且簇頭產生時并未考慮簇頭的位置，因此簇頭的分布不一定是合理的，可能導致有的區域簇頭偏多有的區域簇頭過少，簇內成員的傳輸距離延長導致能耗變大。

2能量模型

NS2（Network Simulation）網絡模擬軟件中已定義好了無線通信系統中的能耗模型，其模型如圖1所示。