無線傳感器網絡LEACH協議簇頭選舉能量消耗研究

廖明華, 張 華

(1.湖南財政經濟學院信息管理系, 湖南長沙 410205; 2.湖南大學信息科學與工程學院, 湖南長沙 410082)

1 引言

無線傳感器網絡是由部署在監測區域中大量的微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統,由于微型傳感器節點本身能量受限,使無線傳感器網絡路由有區別于傳統網絡的顯著特征,節能也往成為其路由協議中首要考慮的因素.

無線傳感器網絡路由協議主要分為以數據為中心的平面路由、網絡分層路由、基于查詢的路由、地理位置路由和能量感知路由[1],在這些路由協議中LEACH[2](Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協議是一個能量利用較高的分層路由協議,由于在LEACH協議中需要不斷的進行分簇,因此,由于分簇帶來的能量消耗對整個協議的能量消耗和網絡壽命都有十分重要的作用,本文首先對LEACH協議的原理作了簡單介紹,對LEACH協議的簇頭選舉過程的能量消耗進行了詳細研究,并和原協議做了對比分析.

2 LEACH路由協議分析

LEACH協議的基本思想是以循環的方式隨機選舉簇首節點,將網絡的能量負載均勻的分配到網絡的每個節點上.LEACH協議將整個網絡周期分為“輪”和“周期”,每一輪由初始化和穩定數據傳輸兩個階段組成[3],每一輪都隨機選擇一個簇首,選舉機制為：每個傳感器節點隨機選擇一個0～1之間的隨機數,如果小于給定的閾值T(n),則選舉為簇首,其中閾值的計算方法為[2]：

P=k/N,是節點選為簇頭的概率,k是簇頭個數,N為網絡中節點的個數,r為當前“輪”數,G是r-1輪未擔任過簇的節點集.顯然,通過這種機制,沒有擔任過簇頭的節點隨著輪數的增加,其閾值T(n)也會越大,擔任簇頭的概率也越大,最終保證在連續1/p輪中每個節點都能擔任一次簇頭.

LEACH協議在穩定數據傳輸階段,其物理模型采用了一階序電模式[2](first order radio model),假設傳感器接收或發射長度為m(bit)的數據,接收機消耗的能量為：

Eelec為接收電路或發射電路處理1bit數據消耗的能量,d為傳輸距離,d0為距離的閾值.

發射機所用的能量為：

εfs為近距離發射放大器參數,εamp為遠距離發射放大器參數.

由于LEACH協議中只考慮了網絡中采集到的數據的處理和發送,沒有考慮網絡在運行過程中發送控制信號所消耗的能量,根據LEACH協議的機制,每一輪都要進行簇頭的選舉,在簇頭選舉過程中,節點之間要相互交換信息,發送控制數據包,因此,帶來的能量消耗是不能忽略的.

3 簇頭選舉的能量消耗及對網絡生命周期的影響

根據文獻[3]的能量消耗模型,本文進一步可以計算出簇頭選舉過程中的能量消耗.為了簡化描述,假設在簇頭選舉過程中所有節點以最大功率發射信號,簇頭數為k,控制信號為h個字節.非簇頭節點的能量消耗包括：非簇頭節點接收廣播信號的能量消耗Enochrecm、非簇頭節點發送加入簇信息的能量消耗Enochsend、成員接收簇頭TDMA信號的能量消耗Enochrect;簇頭節點的能量消耗包括：簇頭廣播數據的能量消耗Echsendm、簇頭接收成員信息的能量消耗Echrec、簇頭發送TDMA信號的能量消耗Echsendt,簇頭廣播信息階段采用多路徑衰減信道模型,簇頭和簇成員通信采用自由空間信道模型[4].

Enoch為非簇頭節點能耗,d為到簇頭節點的距離,alive為存活節點數.

簇頭節點的能量消耗,采用多路徑衰減信道模型：

Ech為簇頭節點的能量消耗,do節點最大發送距離.

式 (4)和式 (5)表明,簇形成過程中的能量會消耗節點的部分能量.

4 仿真實驗

在LEACH協議的基礎上,將網絡發送控制數據包的能量消耗加入進來,網絡模型如下：傳感節點隨機分布在一個正方形區域;傳感器節點同構,具有全網唯一的Id號,能量受限,節點靜止;基站固定;節點可通過單跳或多跳的方式與基站通信;無線發射功率可調,仿真過程不考慮數據的錯誤重發.實驗參數如表1,為了便于說明,本文用LEACH-P表示考慮了簇頭形成過程中能量消耗的LEACH協議.根據文獻[3]提出的參數：FND(first node dies)和HNA(Half nodes alive)來衡量網絡生命周期.

表1 實驗參數

4.1 網絡生命周期

圖1表明,當考慮了網絡形成過程中的能量消耗后,在時間上來看,FND和HNA都有一定程度的提前,雖然當存活節點數在10個左右時,兩者的性能才趨于相近,但從圖中發現,這段時間內,存活節點曲線幾乎是一條水平線,也就是說沒有節點死亡,其原因在于,在這段時間,由于存活的節點少,根據LEACH協議的組簇原理,實際上很多輪都未產生簇頭,說明網絡在這段時間雖然還有存活節點,但網絡已經失去了應用意義,因此簇形成過程中的能量消耗影響了網絡的生命周期.

圖1 網絡存活節點數比較

4.2 能量消耗

圖2 網絡剩余總能量比較

圖2表明,在整個生命周期內,LEACH-P的能量消耗比LEACH網絡的能量消耗要大.

5 結束語

本文對LEACH協議簇形成過程中的能耗進行了分析,通過實驗表明LEACH協議在簇形成過程中的能量消耗是整個網絡能量消耗一個不可忽略的部分,在今后進行節能算法研究時,如何減少簇形成過程中的能量消耗,應該是我們研究方向之一.

[1]王殊,閻毓杰等.無線傳感器網絡的理論及應用 [M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

[2]Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrisham H.EnergyefficientCommunication ProtocolforWirelessMicrosensor Networks[C].In Proceeding of the 33rdAnnual Hawaii Int'l Conf.on System Sciences.Maui：Ieee Computer Society,2000：3005-3014.

[3]Akcan H,Bronnimann H.Anew deterministic data aggregation method for Wireless Wensor Networks[J].Singnal Processing,2007,87(12)：2965-2977.

[4]Rappaport T.Wireless Communications：Principles and practice[M].NewJersey：Prentice-HallInc,1996.