論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議

崔素霞

（濱州職業(yè)學(xué)院 山東 256603）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)過飛速發(fā)展后，出現(xiàn)了無線通信技術(shù)、微電機(jī)系統(tǒng)以及嵌入式的計算技術(shù)等各種新技術(shù)。在各種新技術(shù)中，人們重點(diǎn)關(guān)注了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），該網(wǎng)絡(luò)具備了計算能力、通信能力以及感知能力，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。在這種形勢下，探究分簇路由協(xié)議非常重要。

1 選擇簇頭算法

在LEACH算法中，節(jié)點(diǎn)采用了簇頭選舉計算方法，這種選舉算法具有隨機(jī)性，并不是只有某一個節(jié)點(diǎn)才能夠充當(dāng)簇頭，而是每一個節(jié)點(diǎn)都可以作為簇頭。因為簇頭在運(yùn)行時就會消耗一定能量來完成任務(wù)，通過這種方法就能夠把消耗的能量均勻分散給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)上，就避免了某一個單節(jié)點(diǎn)始終作為簇頭，從而防止過快的消耗該節(jié)點(diǎn)能量。通過這種選舉方法，就能夠確保網(wǎng)絡(luò)能量具有均衡性，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。并且采取這種選舉方法還能夠選舉每個節(jié)點(diǎn)，不會被一些中心節(jié)點(diǎn)始終控制。所以簇頭選舉法是一種分布式的算法，在網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)并不是一定要成為簇頭，都可以自行確定出自己是否要充當(dāng)簇頭。一旦開始選舉之時，每一個節(jié)點(diǎn)均以二進(jìn)制形式生成0，1之間的隨機(jī)數(shù)。如果隨機(jī)數(shù)所選用的比閥值T（n）比較小，那么該節(jié)點(diǎn)必然會自己選擇自己充當(dāng)簇頭，并且將成為簇頭的消息按照一定形式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播。LEACH協(xié)議工作之時，就依照 “輪”的形式將時間分成了多段，每進(jìn)行一輪選舉時必然有節(jié)點(diǎn)充當(dāng)該輪的簇頭，系統(tǒng)也就會把此時的閥值制定成 0，這樣就有效確保了在之后若干輪中這個節(jié)點(diǎn)不能夠再充當(dāng)簇頭。假如這個節(jié)點(diǎn)在前段時間中一直都沒有被選成簇頭節(jié)點(diǎn)，必然就會按照概率T（n）形式參與到簇頭選舉之中。如果網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多了，那么剩余的節(jié)點(diǎn)中成為簇頭閥值的機(jī)會就會隨之而增加。因此生成的隨機(jī)數(shù)一定要滿足一個條件低于T（n）），也就會增大其概率。從這些因素中就能夠看出選為簇頭節(jié)點(diǎn)必然增大了成為簇頭的幾率。運(yùn)行到最后只剩下一個節(jié)點(diǎn)沒有被選擇時，而此時節(jié)點(diǎn)的閥值成為T（n）=1，該閥值就表明了最后的節(jié)點(diǎn)必定在這一輪中的節(jié)點(diǎn)，這個節(jié)點(diǎn)也就是簇頭。

2 建立LEACH協(xié)議簇的過程

一旦完成了簇頭的選舉，節(jié)點(diǎn)是簇頭還是成員都已經(jīng)被確定出來了。當(dāng)被選成簇頭的節(jié)點(diǎn)就要通過網(wǎng)絡(luò)傳播自己成為簇頭信息，讓其他的節(jié)點(diǎn)知道自己所處狀態(tài)，就是在這一輪自己任務(wù)角色就是做簇頭。其具體操作過程為：通過應(yīng)用非連續(xù)性的MAC協(xié)議，每一個簇頭也就成為了簇頭公告信息，并且將該公告信息進(jìn)行傳播。該消息屬于較短消息，不僅僅包含節(jié)點(diǎn)的ID信息，還包含了消息的類型標(biāo)志。一旦簇頭把公告信息全部傳送完畢，所有節(jié)點(diǎn)就可能成為最好簇頭的階段。一旦該階段一開始，節(jié)點(diǎn)就需要對自己狀態(tài)進(jìn)行判斷，假如自己所處狀態(tài)屬于成員，必須要選擇簇頭確定節(jié)點(diǎn)本身所處的簇。當(dāng)選擇簇頭之時，節(jié)點(diǎn)常常依據(jù)自己進(jìn)行通訊所耗能量最小原則，選擇出所加入的簇頭。事實上通訊耗能和距離屬于正比關(guān)系，因此距離越近消耗通信能耗越小。成員節(jié)點(diǎn)接收到了所有公告信息之后，就會計算自己和簇頭之間距離，進(jìn)而從這些列表之中挑選出距離最近簇頭節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)就是所加簇頭的簇。

一旦成員節(jié)點(diǎn)都把自己所屬的簇確定好之后，把自己所選簇的消息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給相應(yīng)簇頭。這樣每一個普通成員節(jié)點(diǎn)就應(yīng)用非連續(xù)CSMA協(xié)議將加入請求信息傳遞非簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)自然也就具備了局部管理的作用，主要是安排本簇中成員數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇涡蚺c收集本簇中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。一旦簇頭接收到成員傳遞來的請求消息后，就會按照接收的請求信息依照先后次序給每個成員都創(chuàng)建出一個時間調(diào)度表，還要將該時間調(diào)度表傳送到簇中每一個成員節(jié)點(diǎn)上，通過這種操作不僅減少了工作時簇內(nèi)各個成員之間發(fā)生沖突的幾率，同時還確保成員節(jié)點(diǎn)還沒有輪都自己傳輸之時，將傳輸模塊關(guān)閉掉。并且采用這種方法還減少了各個成員節(jié)點(diǎn)操作時消耗的能量，一旦時間調(diào)度表傳送到成員節(jié)點(diǎn)之后就結(jié)束了建立簇的階段，隨之就進(jìn)入到了傳輸穩(wěn)定數(shù)據(jù)的階段，其操作過程如圖 1所示，每輪LEACH協(xié)議都是兩個階段共同組成，也就是建立階段與穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，其具體流程如圖2所示。

圖1 輪次結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 具體的流程圖

3 LEACH協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程

當(dāng)建立好了簇后，無線傳感器也就進(jìn)入傳輸穩(wěn)定數(shù)據(jù)階段，在這個階段每一個節(jié)點(diǎn)必須要完成所承擔(dān)的傳輸數(shù)據(jù)任務(wù)。建立簇需要耗能量，但是采集信息屬于無效能耗，因此穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)階段非常重要。在傳輸穩(wěn)定數(shù)據(jù)時又分成了許多幀，每一幀都是簇頭節(jié)點(diǎn)依據(jù)成員個數(shù)劃分成許多時隙，如圖3所示。

圖3 某輪時間劃分

事實上成員節(jié)點(diǎn)并不是隨意傳輸，而是在屬于自己的時隙傳輸數(shù)據(jù)，因此在一幀內(nèi)每一個成員都會將所采集的數(shù)據(jù)傳送至簇頭節(jié)點(diǎn)，而簇頭節(jié)點(diǎn)也就會收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將所有成員所發(fā)送數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)融合。因每幀所分配時隙時段相同，其長度主要由簇內(nèi)成員的個數(shù)確定。因為要降低所損耗能量，就要依照簇頭節(jié)點(diǎn)公告信息信號大小，從而調(diào)整發(fā)射器所發(fā)出的功率，降低了能量消耗。并且采用TDMA接入方式，這樣每一個節(jié)點(diǎn)在不屬于自己傳輸時隙中，就能夠關(guān)閉模塊便于節(jié)約能量。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時，簇頭幾乎都是接收狀態(tài)，一直將接收模塊打開，這樣是才方便接收各種傳輸數(shù)據(jù)。因在同一個簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)都具備一定相關(guān)性，因此就要把冗余信息去掉，實施數(shù)據(jù)的融合處理，只有這樣才可以降低所發(fā)送數(shù)據(jù)量，降低數(shù)據(jù)傳輸時所耗能量。但是每一個簇傳輸信息時也會影響到相鄰簇，因此要降低這種信號干擾，就在其內(nèi)部應(yīng)用不同CDMA擴(kuò)頻碼。而每一個簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)所用CDMA編碼就是簇頭節(jié)點(diǎn)傳播公告消息所用簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。所以LEACH應(yīng)用節(jié)點(diǎn)輪流來充當(dāng)簇頭方法，以及數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用TDMA方式，這種算法具有延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但是這種方式每一個節(jié)點(diǎn)都要和匯聚點(diǎn)直接進(jìn)行通信，應(yīng)用了單跳路徑的數(shù)據(jù)傳輸模式，因此所覆蓋面積相對較小。

4 結(jié)束語

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，其路由協(xié)議直接關(guān)注著能否正常使用，其重要性不言而喻。因此本文對分簇路由協(xié)議的算法、建立過程以及傳輸過程進(jìn)行研究，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常使用提供技術(shù)依據(jù)，同時也確保了該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

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