改進(jìn)簇頭選擇策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)

陳新芝 沈洪遠(yuǎn) 王興 唐黃正

摘 ?要：針對(duì)現(xiàn)有分簇算法的不足，文章提出基于節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站距離優(yōu)化簇頭選擇的分簇路由協(xié)議LEACH-MCE。仿真結(jié)果表明，與經(jīng)典的LEACH算法相比，該算法可有效避免分簇路由協(xié)議中易出現(xiàn)的盲節(jié)點(diǎn)現(xiàn)象，大大降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，能有效延長(zhǎng)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);分簇路由協(xié)議;簇頭優(yōu)化算法

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由眾多微小、電能有限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)按結(jié)構(gòu)和功能可分為感應(yīng)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、基站等部分[1]。無線傳感器節(jié)點(diǎn) 能夠?qū)⒏袘?yīng)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行感知、采集和處理，并通過自組多跳的方式傳送到需求終端，由于傳感節(jié)點(diǎn)價(jià)格低廉，大量節(jié)點(diǎn)組成的無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和軍事領(lǐng)域[2]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須擴(kuò)展性強(qiáng)、生存周期長(zhǎng)、能耗盡量低。采用分簇方法的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以很好地達(dá)到這些要求。在分簇的網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)在簇內(nèi)進(jìn)行短距離通信、融合后再傳送給數(shù)據(jù)處理中心，此方式下與直接傳送給數(shù)據(jù)中心處理相比能耗大大降低。分簇路由協(xié)議包括簇頭選舉、簇類劃分和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)入A段，分簇過程中，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)組成。

低功耗自適應(yīng)分簇層次方法（Low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH）[3]是經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議，其采用隨機(jī)輪選簇頭的方法均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，過程包括簇建立階段和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳送階段。文獻(xiàn)[4]為減少數(shù)據(jù)傳遞次數(shù)提出了軟閾值和硬閾值的策略。文章同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站距離，提出一種新的簇頭選擇策略。

2 改進(jìn)簇頭選擇策略無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

無線電能量模型中，距離為d，每傳送L位的數(shù)據(jù)所需能量為：

（1）

接收數(shù)據(jù)所需能量為：

ERx（l，d）=l·Eelec ? ? ? ? ? ?（2）

由以上公式可知，通信所需能量與距離平方或四次方成正比，簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能耗不均衡，離簇頭較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)能量會(huì)過早消耗完，網(wǎng)絡(luò)此時(shí)易形成空洞。簇頭負(fù)責(zé)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)信息的采集、數(shù)據(jù)融合，并傳送簇內(nèi)信息給基站，能耗過大，也易提早死亡。因此，選擇簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)要充分考慮簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量及位置分布情況，選擇剩余能量多、更靠近基站的節(jié)點(diǎn)，使之延緩節(jié)點(diǎn)死亡速率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。由以上分析對(duì)簇頭選擇進(jìn)行優(yōu)化。

LEACH協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)賦給一個(gè)0到1之間的隨機(jī)值，簇頭基于隨機(jī)機(jī)制進(jìn)行選擇。其選擇機(jī)制如下：

（3）

其中，p為簇頭數(shù)量選擇比重，r為當(dāng)前運(yùn)行輪數(shù)，T（n）為節(jié)點(diǎn)n當(dāng)選簇頭的概率，G為過去1/p 輪中未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)賦給的隨機(jī)值小于T（n）時(shí)，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭。

文章考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量的比重、節(jié)點(diǎn)與基站間的距離這兩個(gè)因素，改進(jìn)簇頭選擇機(jī)制為：

（4）

其中，E（n）為節(jié)點(diǎn)n當(dāng)前剩余能量，ErAverage為第r輪網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量，dmax為節(jié)點(diǎn)距離基站的最大距離，dmin為節(jié)點(diǎn)距離基站的最小距離，dtoBS為節(jié)點(diǎn)n距離基站的距離，η為選擇因子，表明當(dāng)節(jié)點(diǎn)n剩余能量大于網(wǎng)絡(luò)平均能量或距離基站較近時(shí)，其成為簇頭概率較大。

3 仿真結(jié)果

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由100個(gè)隨機(jī)分布在100×100矩形中的節(jié)點(diǎn)組成，基站坐標(biāo)為（50，50）。文章采用MATLAB進(jìn)行仿真，利用文獻(xiàn)[4]的無線電系統(tǒng)能量模型計(jì)算路由協(xié)議的能量損耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型的主要參數(shù)為：各節(jié)點(diǎn)初始能量為0.5J;所有節(jié)點(diǎn)以固定的頻率采集發(fā)送數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)包的大小為4000bit。

采用改進(jìn)簇頭選擇策略的分簇路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)分布圖如圖1所示，初始化時(shí)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，經(jīng)過運(yùn)行1500輪后，位于感測(cè)區(qū)域四周的節(jié)點(diǎn)幾乎沒有存活，唯有區(qū)域中心基站附近還有節(jié)點(diǎn)。可知，節(jié)點(diǎn)能耗是均衡消耗的。

將文章提出的優(yōu)化分簇路由協(xié)議與LEACH協(xié)議及TEEN協(xié)議進(jìn)行比較，并使用如下的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：網(wǎng)絡(luò)生存節(jié)點(diǎn)數(shù)，即仿真開始到最后達(dá)到最大運(yùn)行輪數(shù)存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

圖2 反映了三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存節(jié)點(diǎn)數(shù)，可以看出，文章提出的優(yōu)化分簇協(xié)議與其他兩種協(xié)議相比網(wǎng)絡(luò)生存節(jié)點(diǎn)數(shù)存活更多。這是因?yàn)長(zhǎng)EACH和TEEN運(yùn)行一段時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量會(huì)不均衡，而文章提出的算法能夠均衡簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量損耗，避免了節(jié)點(diǎn)能量過早耗盡，從而使節(jié)點(diǎn)生存更久。

4 結(jié)束語

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的效率決定了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)十分重要。文章提出了一種改進(jìn)簇頭選擇策略的分簇路由協(xié)議，從節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站間距離考慮，對(duì)簇頭當(dāng)選概率進(jìn)行改進(jìn)。從仿真結(jié)果可以得出，該算法改善了一般分簇路由協(xié)議中節(jié)點(diǎn)剩余能量不均衡的問題，大大降低了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，有效地提高了大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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