基于LEACH協議與蟻群算法的無線傳感器網絡路由協議

朱佳煦

摘要：無線傳感器領域的所有關鍵技術中，路由協議一直是研究熱點，采用合適的路由協議能夠有效降低無線傳感器網絡節點能耗以延長網絡壽命。LEACH作為經典的無線傳感器網絡路由協議，具有重要研究意義。傳統的LEACH協議采用隨機簇頭選舉方法與唯一的單跳路由策略，在算法運行過程中存在許多不必要的能源消耗，鑒于此，提出一種新的有效路由協議，即靜態分簇多跳按需路由協議（OCMR）。它是一個按需路由協議，僅在協議運行首輪選定一定數量的簇頭；在數據傳輸階段，采用一種基于蟻群算法的單跳結合多跳的路由方法。Matlab仿真實驗證明，新協議在節省網絡能耗與延長網絡壽命方面優于傳統LEACH協議。

關鍵詞關鍵詞：無線傳感器網絡；LEACH；蟻群算法；按需路由協議

DOIDOI：10.11907/rjdk.171770

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011021404

0引言

無線傳感器系統由隨機分布且數量眾多的傳感器節點與一個基站組成[34]。其中，傳感器節點通常分布于不同的環境用以收集環境或物理參數，并將數據送回基站滿足網絡使用者的需求。匯聚節點作為WSN連接外網的橋梁，通常是持續供能的，并且其數據加工與傳輸能力也遠優于普通傳感器節點。同時，普通節點一旦被放置，通常無法更換或為其充電。因此，WSN較傳統有線網絡有能源上的限制，在設計WSN路由協議時節點的能源有效性必須優先考慮。WSN能源管理相關文獻[58]指出，數據感知、數據加工與無線傳輸是WSN能耗的主要組成。本文將WSN的路由協議作為主要研究對象，由于WSN系統服務于各不相同且特殊的環境，因此在設計路由協議時，需要將其服務的應用納入考慮。可將無線路由協議分為以下兩類[9]：①主動路由協議：通常運用于節點需要一直反饋其監測數據的WSN應用上，網絡中的節點需要周期性地打開無線收發器，感知并發送數據，保證應用能夠時刻接收到數據；②按需路由協議：與主動路由協議大致相同，區別在于數據傳輸階段，在這類協議中，節點根據應用需要，僅在需要時才會打開無線收發器建立數據傳輸路由，其余時間進入休眠狀態。

3.1節點存活率

圖3為LEACH與OCMR在死亡節點數方面的性能比較。由于LEACH算法采用概率選舉簇頭的方式有效地將全網絡的能耗負載平均得分配給網絡中的所有簇頭，然而它缺乏對能量過低節點的保護措施，因此當一個節點死亡后，節點會呈線性相繼死亡；而OCMR運用靜態優化分簇及簇頭輪換機制保證只有能量大于簇內平均水平的簇頭才有機會當選為簇頭節點，這一機制可避免節點過早死亡現象。由圖3可以看出，OCMR的穩定域比LEACH增加了近65%。

圖3每輪死亡節點數

3.2平均節點剩余能量

平均節點剩余能量對比如圖4所示，可以明顯看出，OCMR優于LEACH協議。這是因為，上文提到WSN能耗主要來源于數據傳輸，而LEACH協議在數據傳輸方面采用單跳作為所有簇頭節點的路由方式，則根據無線電模型能量計算公式，遠距離傳輸較近距離傳輸將大大增加節點能耗，對網絡平衡性十分不利。因此，在OCMR中運用反應式路由控制數據傳輸量及蟻群算法得到的多跳結合單跳的路由方式優化傳輸路徑，不僅減少了數據的通訊量，而且優化了數據的傳輸路由。因此，OCMR能保證更均衡且更有效的能量消耗。

圖4平均節點剩余能量

4結語

本文為WSN提出了一種新的分簇式路由協議OCMR，采用靜態分簇與基于節點剩余能量的簇頭輪換機制，減少了重復建簇的能量花銷，保護了節點過早死亡，并通過設置閾值的方式控制數據的傳輸量，同時使用基于蟻群算法的單跳結合多跳的路由進行數據傳輸，有效避免了長距離傳輸所造成的能量耗散。最后將OCMR與經典的LEACH協議用Matlab進行仿真對比，結果表明，OCMR在節能、節點存活率以及提高網絡平衡性方面優于LEACH協議。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）endprint