LEACH協議大規(guī)模網絡通信改進研究

陳晨+楊紅麗

摘要：LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）路由協議是無線傳感器網絡里最經典的分簇路由協議，它的“分簇”思想被廣泛應用，但是它只能是小規(guī)模無線傳感器網絡的路由協議，比如100×100的區(qū)域。提出一種基于LEACH路由協議的新協議LEACH-LS（low energy adaptive clustering hierarchy-LargeScale），可應用于大規(guī)模的無線傳感器網絡。用MATLAB工具進行仿真，結果表明新協議在大規(guī)模無線傳感器網絡應用很好。

關鍵詞：大規(guī)模無線傳感器網絡； LEACH； LEACH-LargeScale

DOIDOI：10.11907/rjdk.171151

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0171-03

0 引言

無線傳感器網絡（WSNs）是當今備受關注的熱點領域，它將傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡和無線通信技術、分布式信息處理技術有機結合，通過許多集成的微型傳感器進行監(jiān)控和信息采集，通過無線廣播方式將信息發(fā)送到目的地。傳感器網絡技術應用廣泛，如國防軍事、工業(yè)、農業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、急救、搶險救災、反恐等重要領域，學術界和工業(yè)界高度重視，被認為是21世紀最具影響力的技術之一[1-3]。目前，無線傳感器網絡研究主要是在網絡層和鏈路層。路由協議屬于網絡層，它是無線傳感器網絡的核心技術之一[4]。

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）路由協議是最經典的分層路由協議。LEACH路由協議把節(jié)點分為簇頭節(jié)點和簇員節(jié)點。簇員節(jié)點把采集到的數據信息發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點把簇員節(jié)點發(fā)送的數據信息和采集的數據信息進行融合，然后簇頭節(jié)點直接把融合后的數據發(fā)送給基站。LEACH協議的優(yōu)點是運用了數據融合技術，去除了冗余的數據信息，從而節(jié)省了節(jié)點的剩余能量。隨機產生的簇頭節(jié)點使所有傳感器節(jié)點共同承擔網絡能量消耗，避免了某些節(jié)點過快死亡。

但LEACH路由協議局限性很大。由于LEACH協議規(guī)定所有傳感器節(jié)點都能與基站直接通信，且傳感器節(jié)點的通信距離有限，所以它只能應用在小規(guī)模的無線傳感器網絡中，不適用于大規(guī)模的無線傳感器網絡。本文對LEACH協議進行了改進，提出了新協議LEACH-LS，LEACH-LS協議不僅擁有LEACH協議的優(yōu)點，還能應用在大規(guī)模網絡里，使傳感器節(jié)點能在大規(guī)模網絡里進行數據通信。

1 LEACH協議

1.1 LEACH協議介紹

WSNs路由協議有平面型和層次型兩種[5]。LEACH協議是一種經典的分層路由協議，它把傳感器網絡分為兩層，基站只和簇頭節(jié)點通信。LEACH協議與一般的平面型路由協議相比可提高15%的網絡壽命。由于LEACH協議隨機選擇簇頭節(jié)點，從而使所有傳感器節(jié)點共同承擔網絡能量消耗。LEACH 協議的基本單位是“輪”，它由很多輪組成。一輪由建簇和數據收集兩個階段組成。為了避免由于建簇造成過多能量消耗，數據收集階段時間一般較長[4-5]。

LEACH協議的前提條件是：①基站位置固定；②所有傳感器節(jié)點有自己的唯一ID標位置，一旦固定就不能改變；③所有傳感器節(jié)點都能和基站直接通信，并且能量有限，能量一旦耗盡就不能補充；④傳感器節(jié)點的通信距離有限。

每輪開始時，網絡開始建簇。所有傳感器節(jié)點都生成一個（0，1）的隨機數。若某節(jié)點生成的隨機數小于閾值T（n）則成為簇頭節(jié)點，然后該節(jié)點廣播信號。未成為簇頭的節(jié)點尋找信號最強的簇頭節(jié)點并申請成為它的簇員節(jié)點，最終傳感器網絡生成了很多簇群，每個簇群里有一個簇頭節(jié)點和若干簇員節(jié)點。最后簇頭節(jié)點為每個簇員節(jié)點分配TDMA信道，每個簇員節(jié)點在自己的時間段給簇頭節(jié)點發(fā)送數據信息。如果節(jié)點沒有在本循環(huán)內當選為簇頭節(jié)點，閾值T（n）公式是 T（n）=p/[1-p*（r mod（1/p））]；如果節(jié)點已經在本循環(huán)內當選過簇頭節(jié)點，閾值T（n）公式是T（n）=0。p是簇頭節(jié)點在所有節(jié)點中的比重，r是當前輪數減1，1/p 輪是一個循環(huán)。

建簇完成后即進入數據收集階段。所有簇員節(jié)點把收集到的數據在自己的信道時間內發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點收到所有簇員節(jié)點發(fā)送的數據后進行數據融合，融合完成后把融合數據直接發(fā)送給基站。數據收集持續(xù)一段時間后再重新建簇，如此循環(huán)。不同的簇采用不同的CDMA碼通信從而減少其它簇的干擾[4，6-7]。

1.2 LEACH協議的局限性

由于無線傳感器節(jié)點的通信距離有限，而LEACH協議要求所有傳感器節(jié)點直接和基站通信。因此，LEACH協議只適用于規(guī)模較小的無線傳感器網絡，不能應用在大規(guī)模網絡中。

2 LEACH-LS協議

針對LEACH路由協議不能應用在大規(guī)模無線傳感器網絡的不足，本文提出了LEACH-LS協議。LEACH-LS協議與LEACH協議類似，也是由建簇階段和數據收集階段兩部分組成，下面詳細介紹LEACH-LS協議。

在一個大規(guī)模的無線傳感器網絡里，基站位于中間位置。所有傳感器節(jié)點根據自身位置推出與基站的距離（假設所有傳感器節(jié)點都知道自己的位置和基站的位置[9]），傳感器節(jié)點根據自身與基站的距離標記序號。標號以80m為單位，比如距離大于0小于80的為1號，大于80小于160的為2號，以此類推。之所以選80m為單位，是因為如果傳感器節(jié)點的通信距離超過87m就是遠距離發(fā)射，能耗會大大增加[8]。

（1）建簇階段。LEACH-LS協議的建簇階段和LEACH協議類似。每輪開始時，除了標號為1的節(jié)點外，所有傳感器節(jié)點都生成一個大于0且小于1的隨機數，生成的隨機數與閾值T（n）比較大小，閾值T（n）與LEACH協議的T（n）相同。未成為簇頭的傳感器節(jié)點選擇距離自己最近的節(jié)點為簇頭節(jié)點。標號為1的傳感器節(jié)點不選擇簇頭節(jié)點也不競選簇頭節(jié)點，而是直接把數據發(fā)送給基站。

（2）數據收集階段。簇頭節(jié)點接收到所有簇員節(jié)點發(fā)來的數據后，與收集的數據進行融合，然后把融合后的數據發(fā)送給比自己標號小1且距離最近的簇頭節(jié)點。比如某簇頭節(jié)點的標號是4，那么它把本簇的數據信息融合后發(fā)送給距離自己最近的3號簇頭節(jié)點，以此類推。標號為2的簇頭節(jié)點把數據發(fā)送給距離自己最近的標號為1的普通節(jié)點，所有標號為1的普通節(jié)點都擔當轉發(fā)數據的作用。圖1是600×600的大規(guī)模網絡LEACH-LS協議演示。

其中，Etx（k，d）表示傳感器節(jié)點向距離為d meter 的目的地發(fā)送k bit數據時的能量消耗，Erx（k）表示節(jié)點接收k bit數據的能量消耗，Eelec表示電路的消耗系數，εfs和εamp分別為近距離和遠距離發(fā)射放大器能耗參數，d是源節(jié)點和目的節(jié)點之間的距離，d0是臨界值。

LEACH-LS協議的仿真環(huán)境是2 000個節(jié)點隨機分布在600×600的區(qū)域內，基站位于（300，300）的中間位置，傳感器節(jié)點發(fā)送數據包的最遠距離是180m。一個數據包是4 000bit，一個控制包的大小為100bit，所有傳感器節(jié)點的初始能量是0.5J，簇頭節(jié)點數據融合的能量消耗是5nJ/bit/message，Eelec為50nJ/bit，εfs為10pJ/bit/m2，εamp為0.0013pJ/bit/m4，d0是87m。簇頭節(jié)點的比例p是0.05[6]。按照節(jié)點與基站的距離大小，把所有傳感器節(jié)點分為1號（距離小于80m）、2號（距離大于80m且小于160m）、3號（距離大于160m小于240m）、4號（距離大于240m）。

LEACH協議的仿真環(huán)境是100個節(jié)點隨機分布在100×100的區(qū)域里，基站在（50，120）的位置，傳感器節(jié)點的通信半徑是180m，其余的仿真環(huán)境和LEACH-LS一樣。

3.2 仿真結果分析

圖2和圖3是LEACH協議在100×100區(qū)域里的仿真實驗結果。圖2顯示LEACH協議的存活節(jié)點數量隨輪數的增加而減少。實驗數據顯示，LEACH協議的第一個節(jié)點死亡輪數是786輪，整個網絡的死亡輪數是1 175輪。從圖3可以得出，隨著輪數的增加，基站收集到的數據越來越多。直到整個網絡死亡時，基站收集到的數據包個數接近2×104個。然而，由于傳感器節(jié)點的通信距離有限，并且LEACH協議要求所有節(jié)點與基站直接通信，所以LEACH協議不能應用在大規(guī)模的網絡里。

圖4和圖5 是LEACH-LS在600×600區(qū)域里的仿真實驗結果。圖4的實驗結果顯示LEACH-LS的第一個死亡節(jié)點輪數是121輪，整個網絡的死亡輪數是139輪。圖5的實驗結果顯示，隨著運行輪數的增加，基站收集到的數據包個數越來越多。整個網絡死亡時，基站收集到的數據包個數接近6×104個。實驗結果表明，LEACH-LS協議可以應用在大規(guī)模無線傳感器網絡里，LEACH-LS協議可以在600×600的區(qū)域里使傳感器節(jié)點正常向基站傳送數據。

4 結語

對LEACH路由協議的研究發(fā)現，由于傳感器節(jié)點的通信范圍有限，LEACH協議不能應用在大規(guī)模無線傳感器網絡里。本文在LEACH協議的基礎上進行了改進，提出了新協議LEACH-LS。仿真實驗表明LEACH-LS協議可以在600×600的大規(guī)模網絡里使傳感器節(jié)點正常收集和傳送數據。

雖然LEACH-LS可以運用在大規(guī)模無線傳感器網絡里，但它的生命周期較短，提高LEACH-LS協議的網絡壽命是下一步要進行的研究工作。

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（責任編輯：杜能鋼）