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探討無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )LEACH路由協(xié)議的變化
引言
當計算機的運算速度突飛猛進(jìn)，使數據處理和計算能力迅速提高后，當存儲器的容量無(wú)限增長(cháng)，使海量存儲得以實(shí)現時(shí)，當網(wǎng)絡(luò )的帶寬一再提升，數據傳輸己變得輕而易舉時(shí)，如何高效地獲取尤其是遠程獲取需要處理的大量信息成為人們研究的重點(diǎn)，于是融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱(chēng)WSNs)[1]應運而生。部署在檢測區域內的傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，稱(chēng)之為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（Wireless Sensor Network）。協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息并發(fā)送給觀(guān)察者是WSN 的主要目的。其要素是傳感器、感知對象和觀(guān)察者。傳感器之間、傳感器與觀(guān)察者之間以無(wú)線(xiàn)的形式建立通信路徑，達到協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內的感知對象信息的目的。實(shí)際情況下，WSN 中的節點(diǎn)是在不斷運動(dòng)的，本文中所提到的節點(diǎn)都是靜止狀態(tài)下的，并且每個(gè)節點(diǎn)都可以沖淡路由器，具有搜索、定位、和恢復連接的能力。
1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由分類(lèi)
路由協(xié)議對于網(wǎng)絡(luò )傳輸是必不可少的，WSN 路由協(xié)議延續了Ad hoc 網(wǎng)的分類(lèi)方法，可以根據不同的角度進(jìn)行分類(lèi)�？筛鶕鶕酚砂l(fā)現策略的角度不同，將WSN 路由協(xié)議分為主動(dòng)路由和被動(dòng)路由兩種類(lèi)型；可根據網(wǎng)絡(luò )管理的邏輯結構不同，將WSN 路由協(xié)議分為平面路由和分層結構路由兩類(lèi)[2 ][3]。
2 LEACH[4-6]路由協(xié)議
層次路由協(xié)議中最具代表性的是LEACH 路由協(xié)議，該協(xié)議是低功耗自適應聚類(lèi)分級路由協(xié)議[7-9]其他層次式的路由協(xié)議如TEEN、APTEEN、PEGASIS 等大都由LEACH 發(fā)展而來(lái)。
LEACH 的基本思想是將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能量負載平均分配到每個(gè)傳感器節點(diǎn)中,這主要是通過(guò)隨機循環(huán)地選擇簇首節點(diǎn)實(shí)現的，從而有效將網(wǎng)絡(luò )能源消耗降低，提高網(wǎng)絡(luò )整體生存時(shí)間。
LEACH 在運行過(guò)程中不斷地循環(huán)執行簇重構過(guò)程。
傳統的 WSN 基于簇的結構被關(guān)注。因為簇首節點(diǎn)的能量消耗遠遠大于非簇首節點(diǎn)，導致簇首節點(diǎn)比非簇首節點(diǎn)消亡的要快。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Heinzeman 提出了LEACH。這個(gè)算法的基本思想是周期性的選擇簇。每個(gè)周期成為“輪”，每一輪選擇簇首節點(diǎn)，其他節點(diǎn)協(xié)助簇首節點(diǎn)進(jìn)行數據傳輸，最終，簇首節點(diǎn)對數據進(jìn)行融合并將數據傳給sink 節點(diǎn)。
每一輪，每個(gè)節點(diǎn)被隨機賦予0-1 之間的任意值，如果這個(gè)值小于最低預測極限值，則節點(diǎn)變?yōu)榇厥祝?br /> P 是在網(wǎng)絡(luò )中頭節點(diǎn)在所有節點(diǎn)中的比例；r 是當前選擇輪數；G 是過(guò)去1/p 輪未被選為簇首的節點(diǎn)集合。
3 LEACH 協(xié)議改進(jìn)與仿真
3.1 對LEACH 協(xié)議的簇的形成和簇首選取方法進(jìn)行改
進(jìn)本文提出的改進(jìn)協(xié)議中，簇的形成和簇首選取的過(guò)程如所示。根據公式其中，假設每個(gè)簇在WSN 中所占的面積為S/k ，dtoBS 為簇首節點(diǎn)到基站BS 的平均距離，εfriss-amp 為Friss frss space model 時(shí)的放大器參數，εtwo-ray-amp Two-ray Groundmodel 時(shí)的放大器參數。
結合 WSN 內情況，對網(wǎng)絡(luò )內分簇數目C 進(jìn)行估算，得出每簇的節點(diǎn)數目V=節點(diǎn)總數Y/C,將V 設置為簇內節點(diǎn)數的最高門(mén)限值，即成簇節點(diǎn)的個(gè)數最高值。形成簇及簇首選取流程圖如圖所示。統計網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)的鄰節點(diǎn)數目Vi，如果Vi>V，則放棄該組節點(diǎn)成簇的機會(huì )；如果Vi≤V，將節點(diǎn)的鄰節點(diǎn)數目進(jìn)行排序，按照節點(diǎn)數目大小排序為q1、q2、q3、q4…qi…qc，如果發(fā)現其中qm、qn（m>n）互為鄰節點(diǎn)，則在序列中舍棄qn，后面的節點(diǎn)依次向前增補。此時(shí)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )分為了C 個(gè)區域，任取其中某一個(gè)子區域，其節點(diǎn)集合為Ci，抽取該自子區域內的鄰節點(diǎn)數目最多的節點(diǎn)qi，其剩余能量為Ei，此qi 的鄰節點(diǎn)集合記為D，則D=Ci-{qi}，qi∈Ci，D 中任意一節點(diǎn)e，其能量為Ee，如果：Ei>Ee，e∈D，則qi 為該簇簇首節點(diǎn)，否則，計算max（Ee） e∈D，則e 為簇首節點(diǎn)。
3.2 NS-2 仿真驗證
針對上述 LEACH 協(xié)議中存在的問(wèn)題，結合傳感器節點(diǎn)的不一定撒布在平坦地帶，節點(diǎn)之間可能存在空間距離，所以本文提出了將節點(diǎn)與三維坐標系結合起來(lái)，這樣既方便節點(diǎn)的定位，適合WSN 中因節點(diǎn)移動(dòng)，拓撲結構隨時(shí)發(fā)生變化的特征，又能在簇的形成、簇首選擇中顯得更加快捷、方便，而且對于解決節點(diǎn)安全問(wèn)題、剩余能量的均衡以及延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存周期具有一定的效果。尤其是在WSN 的網(wǎng)絡(luò )規模擴展上具有一定的實(shí)際意義。下面將具體方案闡述如下：
假設 WSN 的具體情況如下：
�、俅罅康墓濣c(diǎn)被隨機分布在不平整的區域內；
�、诮⒁粋�(gè)以所處位置海拔最低的節點(diǎn)為原點(diǎn)以正北為x 軸正向、以正東為y 軸正向、以豎直向上為z 軸正向的三維坐標系；
�、墼谡麄�(gè)網(wǎng)絡(luò )內，均勻分布具有GPS 定位功能的信標節點(diǎn)，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通信中樞，網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)都能夠通過(guò)GPS 系統確認自己的位置坐標；
�、軘祿l(fā)送時(shí)基于查詢(xún)的；
�、輰τ诠濣c(diǎn)間的通信阻礙忽略不計；
�、蘧W(wǎng)絡(luò )中無(wú)線(xiàn)鏈路都是雙向的，也就是說(shuō)假如節點(diǎn)1 在節點(diǎn)2 的傳輸范圍內，節點(diǎn)2也在節點(diǎn)1 的傳輸范圍內；
�、遅SN 網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)具有相同的結構所示：
仿真環(huán)境：仿真工具采用NS-2 平臺，版本2．28，操作系統為windows XP+Cygwin，LEACH 源碼來(lái)自M IT 的網(wǎng)站，仿真程序是在LEACH 的基礎上進(jìn)行了編寫(xiě)修改和補充完善的， 并對 LEACH 協(xié)議的幾個(gè)小BUG 進(jìn)行了修正。
硬件主要配置：CPU 為奔騰2．8 GHz、內存1GB。仿真環(huán)境中，100 個(gè)節點(diǎn)隨機分布在70 m×70m×10m 的三維區域內，基站坐標取(50，175，0)。每輪簇頭選舉時(shí)間間隔為10s。
中列出了仿真中使用的參數值。
網(wǎng)絡(luò )性能的優(yōu)劣主要是靠每輪存活的節點(diǎn)的數目來(lái)反映。存活的節點(diǎn)數目越大，網(wǎng)絡(luò )覆蓋的區域就越廣，每輪參與選取的節點(diǎn)就越多，從而延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )的生存周期。下面，針對簇首個(gè)數的多少分別進(jìn)行仿真，根據節點(diǎn)數目、分布區域情況，計算出最優(yōu)簇首數目為5 個(gè)，傳統LEACH 協(xié)議初始化網(wǎng)絡(luò )時(shí)，使用的簇首數目為6 個(gè)，比較這兩種情況下的存活節點(diǎn)數目。
選擇6 個(gè)簇首節點(diǎn)的WSN 網(wǎng)絡(luò )在第390 s 的時(shí)候就已經(jīng)開(kāi)始有節點(diǎn)死亡，到400s 的時(shí)候全部節點(diǎn)都已經(jīng)死亡。選擇5 個(gè)簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò )在420s 才開(kāi)始出現節點(diǎn)死亡，在500s 附近所有節點(diǎn)全部消亡，由此可以看出，5 個(gè)簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò )的生存周期要比6 個(gè)簇首的WSN 生存周期長(cháng)許多。主要是因為選擇6 個(gè)簇首的網(wǎng)絡(luò )每輪平均能耗大，導致有些節點(diǎn)提前消亡。從5-3 可以看出，選擇6 個(gè)簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò )在出現死亡節點(diǎn)后，節點(diǎn)死亡的速度比選擇5 個(gè)簇首的網(wǎng)絡(luò )要快的多，在350 s 時(shí)，網(wǎng)絡(luò )中就有11 個(gè)節點(diǎn)死亡，在370s 時(shí)就有24 個(gè)節點(diǎn)死亡了，380 s 時(shí)激增到44 個(gè)，400s 時(shí)全部節點(diǎn)消亡。而選擇5 個(gè)簇頭節點(diǎn)時(shí)，死亡節點(diǎn)的速度比較慢。由此可見(jiàn)，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò )簇首選擇方法更能提高網(wǎng)絡(luò )性能，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期。
b、節點(diǎn)消耗的總能量比較對于 WSN 來(lái)說(shuō)，節點(diǎn)能量是非常有限的，網(wǎng)絡(luò )生命周期的重要指標就是節點(diǎn)的能耗。
單個(gè)節點(diǎn)的能耗越少，網(wǎng)絡(luò )的生命周期也就會(huì )越長(cháng)。比較簇首數為5 和6 兩種情況下節點(diǎn)消耗的總能量。
從可以看出，WSN 網(wǎng)絡(luò )選擇在有5 個(gè)簇首節點(diǎn)是，大概在第510 s 才消耗所有能量。而選擇6 個(gè)簇首的，則在400 秒左右能量就完所有能量消耗完。選擇6 簇首的WSN 網(wǎng)絡(luò )能量消耗一直在選擇5 個(gè)簇首節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )曲線(xiàn)上面，這說(shuō)明從第一個(gè)節點(diǎn)一直到所有節點(diǎn)都消亡，選擇6 個(gè)簇首的網(wǎng)絡(luò )所消耗的平均能量要比簇首為5 的網(wǎng)絡(luò )大。具體的講，在380s后表現的更為明顯，此時(shí)6 簇首的網(wǎng)絡(luò )能量消耗出現跳變，所消耗的能量突然變大，主要是因為在380s 時(shí)有44 個(gè)節點(diǎn)死亡，390s 時(shí)死亡了79 個(gè)節點(diǎn)，400s 時(shí)全部節點(diǎn)都死亡了。在390s 時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)所擁有的能量就只能維持一次通信。通過(guò)仿真驗證，改進(jìn)后的LEACH 協(xié)議有效保證了節點(diǎn)公平承擔能量消耗的負擔，保證了網(wǎng)絡(luò )能量的均衡。
結束語(yǔ)：能量對于WSN 來(lái)說(shuō)可以說(shuō)是至關(guān)重要的，在LEACH 協(xié)議，由于簇首選取、簇間通信耗費了大量能量，影響了網(wǎng)絡(luò )的生存周期，本文從簇的形成到簇首的選取兩個(gè)方面對LEACH 協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，從仿真實(shí)驗結果看，達到了預期的效果，減小了網(wǎng)絡(luò )的能耗，延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )的生存周期。
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