無線傳感器網絡數據收集方案改進方法研究

李茂春，秦 峰，許建陽

（成都文理學院，四川 成都 610401）

無線傳感器網絡數據收集方案改進方法研究

李茂春，秦 峰，許建陽

（成都文理學院，四川 成都 610401）

當前，無線傳感器網絡成為研究熱點，其數據的傳輸安全性受到廣泛關注。文章提出了一種基于改進的LEACH協議的無線傳感器網絡數據收集方案，降低了數據傳輸過程中的能量損耗。

LEACH協議；傳感器；數據收集

隨著信息技術的不斷發展，及時有效地掌握相關信息十分重要，因此，信息收集技術的作用十分重要，應用范圍較廣。在當前應用的信息收集技術中，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）十分受關注，該項技術具有成本低、性價比高、能量消耗低及在任意環境中易分布，自由組成無線網絡等優點，這使無線傳感器信息采集變得十分簡單。無線傳感器被廣泛應用于壓力、溫度、定位等方面的信息采集。當前傳感器信息采集協議包括LEACH協議、分簇協議、TEEN協議等。本文基于改進的LEACH協議對無線傳感器數據收集網絡進行研究。

1 mWSN網絡體系結構

在部署無線傳感器網絡時，可以采用確定性部署和隨機部署相結合的方式，隨機部署移動傳感器網絡節點，固定傳感器參考節點采用確定性部署方式，這樣可以構建比較穩定的傳感器網絡結構，同時也能更好地使用網絡動態拓撲的變化，以降低傳感器網絡的能耗。移動無線傳感器網絡（Mobile Wireless Sensor Network，mWSN）層次結構如圖1所示。該網絡被分成了大小均勻、數量固定的簇，并且每個簇中都一個固定參考節點，每個固定參考節點包含一個簇頭節點（Cluster）及多個簇內成員節點。網絡體系中的通信為簇內成員節點與Cluster之間的通信、固定節點之間的通信。

圖1 mWSN的層狀結構

在mWSN網絡結構中，一個監測區域中需要同時部署n個傳感器節點，并且根據實際應用需要，除了部署固定的m個傳感器節點（節點坐標位置可知）之外，還需要在監測區域中隨機部署n-m個移動節點（節點坐標位置不可知）。通過分簇算法將WSN中的節點劃分成不同的簇和Cluster，每一個簇由一個Cluster、某個固定傳感器節點及多個簇內成員節點組成，而且全部的固定節點形成一顆路由匯集樹，且該樹以Sink為根。

在傳感器網絡的簇－樹拓撲結構中，各自的Cluster接收各自成員節點發送的數據，Cluster將接收的數據融合后發送至相應的固定節點，最終發送到Sink。由于需要經過多個不固定節點，因此，Cluster在發送過程中將消耗很多能量，降低了網絡生存時間，因此，為了實現簇－樹拓撲結構的能效消耗，需要確定數據傳輸的最優路徑，以使整個mWSN有較好的數據吞吐量。

2 基于移動Sink的數據收集協議

為了對上文描述的缺陷進行彌補，降低數據傳輸時的能量消耗，本文采用移動Sink方案進行數據收集，讓Sink移動到簇頭附近進行數據收集，會大大節約簇頭的能量。在無線傳感器網絡節點中采用改進的LEACH協議對節點進行分簇，并且采用蟻群算法尋找簇頭結點信息發送的最優路徑，Sink沿著最優路徑移動至簇頭附近收集數據，從而降低了傳送數據中的能量消耗。在此過程中還可以通過優化確定移動Sink的最優移動速度，這樣可以確保移動Sink收集到的數據不會出現溢出的現象。

2.1 改進的LEACH協議

由于LEACH協議具有節點死亡速度快、簇頭能量消耗不均衡、節點能量不能充分利用等缺點，因此，需要對LEACH協議進行改進，提出了新的改進協議，改進主要體現在以下3個方面：

（1）簇頭的選擇。對于門限值的確定加入了兩個新的元素：當前節點未當選為簇頭的輪數及剩余能量，改進之后的T(n)的計算公式如公式（1）所示。

公式（1）中，E0，Erest分別代表當前節點的初始能量和剩余能量；p代表最理想的簇頭節點占總節點的百分比；Rs代表當前節點未當選為簇頭節點的輪數。

根據公式（1）可知，如果沒有當選為簇頭的輪數Rs的值越大，且當前節點的剩余能量Erest的值越大，則門限值T(n)也就越大，因此當前節點當選為簇頭節點的概率也就越高。節點當選為簇頭之后，Rs的值為0，許多改進的門限值公式只考慮了Erest這個影響因素，而沒有考慮Rs這個影響因素，這樣會出現節點當選為簇頭機會不均等的現象，本文對此進行改進，改進之后可以讓節點當選為簇頭的機會更加平均。

（2）限制簇的大小。通過上述分析可知，簇頭的選擇同Leach一樣通過門限值和隨機數兩者的比較來確定節點是否可以成為簇頭，只不過對門限值的計算公式進行改進，因此，為了需要限制簇的大小降低熱點地區能量消耗的問題。簇頭節點的剩余能量和簇頭節點距離基站的距離兩個因素決定了簇的大小，距離基站遠說明簇成員多，距離基站近說明簇成員少，同時如果簇頭的剩余能量多則說明簇成員相對較多，反之簇成員相對較少。通過對距離基站近的簇頭節點進行設置使其形成比較小的簇，這樣就能降低每個簇中的能量消耗，能夠節省更多的能量承擔其他簇頭數據的轉發任務，使網絡消耗能量更加均衡。

（3）簇頭與基站之間的數據通信通過多跳路由來完成。實現過程：每個簇頭節點接收到簇內成員的數據融合處理后，尋找距離自己最近的下一跳簇頭節點，下一跳簇頭節點將數據融合之后發送到距離基站更近的下一跳簇頭節點，如此往復，最后由距離最近的簇頭節點把數據發送給基站。

2.2 最優路徑的搜索

螞蟻攜帶的報文中每個參數代表的意義如下：SrcAdd—源簇頭節點地址；Esum—螞蟻訪問過節點消耗的能量總和；SrcTime：出發時間；VisitedNode—已訪問過的節點；Ecost—能耗；：信息素；Eremain：剩余能量；Emin：鏈路最小剩余能量；下一跳概率；Eavg：鏈路平均能耗。

公式（2）中，τij代表Si，Sj在t時刻的信息素濃度；ηi,j代表Si，Sj間鏈路狀態啟發信息，定義為Si，Sj間的鏈路帶寬bandwidthij與Si，Sj間鏈路時延delayij的比值，即：

可用能量度?ij(t)，定義為：

公式（4）中，Eicost(t)代表Si到Sj傳送數據的能耗。Ei(t)remain代表S節點剩余能量。d(j,k)代表Sj與下一跳簇頭Sk的距離。d(i,j)代表Si，Sj間距離。分別代表每個因子的權重系數。

在螞蟻搜尋最優路徑的過程中，鏈路的時延根據前向螞蟻攜帶的報文內容計算得出，前向螞蟻到達下一跳簇頭節點之后對路由表進行更新，除此之外還要計算路徑搜尋中的能量耗損并記錄在路由表中，經過多輪迭代之后，確定螞蟻搜尋的最優路徑。

3 結語

本文對無線傳感器網絡數據收集方案進行改進，并且根據改進的LEACH協議及螞蟻算法最終確定最優路徑，降低無線傳感器網絡數據傳輸的能量消耗，使傳感器網絡更加穩定，數據吞吐能力更強，但是由于研究的時間有限，該數據采集策略可能在應用中還會存在一些問題，后續將繼續對其進行研究，優化該策略。

[1]YICK J, MUKHERJEE B, GHOSAL D. Wireless sensor network survey[J].Computer Networks, 2008（12）：2292-2330.

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[3]李嬋嬋，解培中.無線傳感器網絡中一種改進的Leach協議[J].計算機技術與發展，2013（10）：87-90，94.

Research on improved methods for wireless network data collection scheme

Li Maochun, Qin Feng, Xu Jianyang
（Chengdu College of Arts and Science, Chengdu 610401, China）

At present, wireless sensor network is becoming a research hotspot, and the security of data transmission has been paid more and more attention. In this paper, a kind of wireless sensor network data collection scheme based on the improved LEACH protocol is proposed in this paper , which reduced the energy loss in the process of data transmission.

LEACH protocol; sensor; data collection

李茂春（1983— ），男，四川雅安，碩士，助理研究員；研究方向：物聯網，嵌入式開發。