WSN中的路由協議改進技術探究

柴遠波，賈宇飛，周明亮

（黃河科技學院 河南 鄭州 450063）

1 網絡層路由協議

在無線傳感器網絡系統網絡中，網絡層上的路由技術對無線傳感器系統網絡的性能有非常重要的影響。隨著國內外對無線傳感器網絡的研究發展，許多針對無線傳感器的路由協議被提出來。在網絡拓撲的結構看法上，我們可以把這些路由協議分分成兩大類，平面路由協議和層次路由協議。

在平面路由這一類協議中，它的所有網絡節點地位都是一樣的。在等級上和層次上不存在差異。它們能夠在局部操作和信息反饋相互之間的數據傳輸來生成路由。在這一類的協議中，其中目的節點（source）首先發出去查詢命令，通過在檢測區域的節點收到查詢的命令后，在去向目的節點發送監測的數據。

其中平面路由優點主要是：簡單、易擴展性，不需要進行結構維護、所有節點地位一樣，基本不產生瓶頸效應、有較好的健壯性。DD（Directed Diffusion）、SAR（Sequential Assignment Routing）、SPIN（Sensor Protocolsfor Informationvia Negotiation）、Romor Routing等這些都是典型的平面路由算法。平面路由目前的缺點：由于各節點地位平等，不存在管理節點。無法對通信資源進行優化的管理，自組織協同方面的算法也較為復雜，應對網絡的動態變化反應速度也比較慢。在分簇路由這方面協議中，網絡是被劃分成簇（cluster）的。簇就是具有某種關聯的各網絡節點集合。每一個的簇都是有一個簇頭（clusterhead）與多個簇內的成員（clustermember）構成，低一級網絡的簇頭是比它高一級的簇內成員，其中最高層的簇頭與基站BS（basestation）通信。這一類的算法是將整個網絡劃分成相連的區域。在這種分簇拓撲的管理機制下，可以網絡中的節點劃分成簇頭節點和成員節點。在一個簇內，是根據某一些機制算法來選取簇頭節點，用來管理整個簇內的成員節點和協調成員節點之間的工作，簇頭節點負責簇內信息的收集和數據的融合處理以及簇之間的轉發。LEACH是最早提出的應用在無線傳感器網絡中分簇路由協議。它的這種成簇思想給后來的很多分簇路由協議提供了寶貴的思想，例如TEEN協議和HEED協議等。

本文提出的是基于LEACH算法的多跳路由算法，采用簇頭之間多跳算法，而簇頭節點的選取可根據節點能量剩余情況。盡量選取能量較高的簇頭節點把信息傳遞到基站。均衡地消耗節點能量。從而延長網絡生存時間[2]。

2 LEACH協議

LEACH協議的全稱是 “低功耗自適應集簇分層次型路由協議”（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）， 它是國外科學家來為無線傳感網設計的低功耗自適應分層路由算法。LEACH這種算法的基本原理就是在運行過程中不斷用循環這種方式執行簇的重構 ，它是根據網絡中節點能量剩余的不同情況，動態地去選擇集中式或者是分布式分簇算法，這樣可以有效地延長整個網絡的生命周期，同時也考慮到了網絡拓撲結構的變化，從而保證了整個網絡的穩定性。經過系統仿真實驗表明，LEACH的網絡生命周期比一般的平面多跳路由協議和靜態分層算法長15%。

LEACH在運行的過程中是不間斷循環去執行簇的重新建立過程。每一個簇的重新建立過程都可以用“輪（round）”的概念來描述它。每個輪是劃分成兩個階段，分別是：每個簇的建立階段與傳輸數據的穩定階段。為了去節省資源的開銷，要求穩定階段的持續時間要高于簇建立階段的持續時間。其中又可以把簇的建立分成4個階段:

(4)對熱點學科進行分析，發現臨床醫學主要研究內容集中在護理上，腫瘤學主要研究類型涉及鼻咽癌、肝細胞癌、肺腫瘤、乳腺癌、鼻咽腫瘤、肝癌、肺癌、乳腺腫瘤、胃癌、肝腫瘤、非小細胞肺癌等，中藥學主要研究藥物成分以及細胞增殖與凋亡；

1）簇頭節點的選擇

2）簇頭節點的廣播

3）簇的建立

4）調度機制的生成

簇頭節點的選擇是根據整個系統網絡中需要的簇頭節點的總數和目前為止每一個節點成為簇頭的次數來決定。選擇的具體辦法是：每一各節點都選擇0到1間的一個值，如果選的值大于閾值T（n），則這個節點成為簇頭節點。

T（n）值計算如下:

式（1）中的p是網絡中簇頭總數占總節點數的百分比值；r是代表目前選舉輪數；G是最近1/p輪沒有成為簇頭的節點集。

定下簇頭這個節點后，是通過廣播的方式來告之整個網絡。網絡中的其他節點根據接收到的信號強度去判定屬于哪個簇，然后去通知相對應的簇頭節點來完成簇的建立。到最后，簇頭節點采用是TDMA方法去為簇中的每一個節點來分配向其傳送數據時間片。

在穩定階段中，普通節點把采集到的數據發送到簇頭節點。簇頭節點對所有普通節點采集的數據進行融合后再傳送到基站，這種方法可以減少通信業務量，是一種合理的工作模式。

穩定階段持續一定的時間后，整個網絡又重新進入到簇的建立階段，去進行下一輪簇的重新構成，這樣來不斷的循環。每個簇用的是不同的CDMA代碼進行通信去減少其他簇里面的節點干擾。

圖1 LEACH路由協議拓撲結構Fig.1 Topology structure of LEACH routing protocol

LEACH算法特點：

1）數據聚合度高：簇頭節點融合并篩選來自于簇內不同源節點所產生的數據，并將數據發送到基站，避免了數據的重復冗雜，有效的減少通信量，減小了能耗，提高了網絡的生存時間可以對系統變化作出快速反應；

2）高效的數據沖突解決機制：LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC層機制來減少簇內和簇間的沖突；

3）保持通信量負載平衡：通過更加靈活地使用路由策略讓各個節點分擔數據傳輸，平衡節點的剩余能量，提高整個網絡的生存周期。例如，可在層次路由中采用動態的簇頭[3]。

3 簇頭節點信息的轉發路徑

基于LEACH算法提出簇頭節點之間形成多跳路由，在根據簇頭節點的能量剩余情況選擇選擇傳遞信息的簇頭節點。最后選取一個簇頭節點把信息傳遞給基站。這種可稱為LEACH——DE。

現在根據簇頭節點剩余情況劃分。設定兩個臨界值分別為a，b將簇頭節點劃分為3個能量狀態。

（1）正常值：簇頭節點能量剩余大于a，能量充足。可進行信息的發送和轉發。

（2）偏低值：簇頭節點能量剩余大于a小于b。一般只需要進行信息的發送。

（3）危險值：簇頭節點能量剩余小于b。此時應考慮更換簇頭（其他節點代替）[4]。

下面是做出的一個簡單模型圖。此圖為理想狀態下。

圖2 基于LEACH協議的高效聚類路由算法的數據傳輸和聚合過程Fig.2 Based on data transmission and efficient clustering routing algorithm of LEACH protocolandthe polymerization process

圖3 WSN簇頭節點轉發信息模型Fig.3 WSNcluster head nodes forwarding informationmodel

A，B，C，D，E，F 簇頭節點，都需要把信息發送到基站。 有圖可知C點能量大于F點能量。而此時這些根據上述所提到的把所有簇頭節點需要轉發的信息轉發到一個簇頭節點上。由于在無線通信中，能量消耗E與通信距離d存在關系:

其中k表示一個常量，n是無線產品或者站點能量和站點之間的一個常量系數，這個值不是一個確定的值，根據不同的產品這個值有大有小，2≤n≤4。由于傳感器網絡中節點一般都是貼近地面的，應用環境中可能有很多的障礙物，導致接收天線的接受能力也有限，n這個值接近于4。可知在無線通信中，能量的消耗E與距離四次方成正比。因此隨著通信距離的增加，能量消耗E將會急劇的增加。為了降低能量的消耗應該盡量減小單跳通信距離的增加。其中多個短距離跳的數據傳輸比一個長跳的傳輸能耗會低些，所以要盡量使用多跳的無線通信方式[5]。

有上述可知應選取F點或者C點接受所有節點轉發過來的信息然后發送到基站。假設各節點信息都轉發到F點。但F點節點能量偏低。在轉發有限的次數將要“死亡”。這就不利于網絡的生存。假設選取C點，C點能量充足。轉發的次數遠大于F點。這樣就延長了網絡的生存時間。這個簡單模型驗證了選取能量過高的簇頭節點去轉發所有簇頭節點的信息。可大大增加網絡生存時間。

在以E為例說明，在E簇頭節點要把信息轉發到基站。現在有兩條鏈路選擇，一條為E——B——C在到基站，另一條為E——F——C在到基站。 其中E——F——C到基站鏈路中有F簇頭節點能量處于偏低狀態。如果F簇頭節點過多的轉發信息，將導致能量很快用盡，這就不利于整個網絡的生存。只讓F點發送自身信息轉發到下一個簇頭節點，這樣相對而言可以延長網絡的生存時間。

4 結 論

本文提出的LEACH——DE算法是在李巖先生基礎上提出。在LEACH算法中，簇頭的選擇是以輪的方式進行，能夠可以均衡的消耗各網絡節點的能量。但是如果只是在簇頭節點傳遞到基站上按貪心算法進行。是無法考慮到節點固有能量剩余的問題。當簇頭節點間傳遞信息以多跳方式進行，能夠很快的使數據傳送到基站。在以LEACH——DE算法顧及到簇頭節點能量偏低狀態，避免轉發信息。可以使能量偏低的節點延長生存時間。在整個網絡節點上考慮，優先使用能量充足的簇頭節點。可以達到均衡消耗網絡節點能量[6]。

[1]李巖，張曦煌，李彥中.LEACH-EE——基于LEACH協議的高效聚類路由算法[J].計算機應用，2007（5）:1103-1105.LIYan，ZHANG Xi-huang，LIYan-zhong，LEACH-EE.efficient clusteringrouting algorithm of LEACH protocol[J].Computer Application，2007（5）:1103-1105.

[2]韋宏利，方玉杰.LEACH協議算法改進及仿真[J].西安工業大學學報，2010，30（6）:570-573.WEIHong-li，FANG Yu-jie.Improvement and simulation of LEACH protocol algorithm[J].Journal of Xi’an Technological University，2010，30（6）:570-573.

[3]趙清華.無線傳感器節點能量管理系統的研究 [D].太原：太原理工大學，2010.

[4]孫麗莉.無線傳感器節點能量管理技術研究[D].廣州：華南理工大學，2009.

[5]王慧，陸曉希.基于LEACH協議的研究與改進[J].火力與指揮控制，2010（4）:124-127.WANG Hui，LU Xiao-xi.Researchand improvement based on LEACH protocol[J].Fire and Command Control，2010（4）:124-127.

[6]張強，盧瀟，崔曉臣.基于能量高效的無線傳感器網絡LEACH協議改進[J].計算機工程與設計，2011（2）:427-429.ZHANG Qiang，LU Xiao，CUI Xiao-chen.Improved energy efficient LEACH protocol in wireless sensor network based on[J].Computer Engineering and Design，2011（2）:427-429.