無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

摘要：對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的LEACH路由算法作了分析，提出了一種改進(jìn)型算法。通過仿真，改進(jìn)后的LEACH算法提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的能效，延長了系統(tǒng)的工作壽命。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；路由協(xié)議；LEACH

0 引言
傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由覆蓋一個地區(qū)的若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成。每個傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及處理，并將得到的數(shù)據(jù)通過無線連接傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由協(xié)議設(shè)計是很具挑戰(zhàn)性的。首先，節(jié)點(diǎn)沒有全球唯一的標(biāo)識符，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議無法應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中；第二，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是源節(jié)點(diǎn)，向唯一的目的節(jié)點(diǎn)Sink發(fā)送數(shù)據(jù)；第三，由于在被測對象內(nèi)部或附近部署了大量的節(jié)點(diǎn)，它們采集到的數(shù)據(jù)是相同或相近的。這就需要路由協(xié)議具有數(shù)據(jù)融合力，以節(jié)約電能，提高帶寬利用率；第四，節(jié)點(diǎn)具備處理能力。節(jié)點(diǎn)的電能存儲能力是很有限的，需要強(qiáng)大的資源管理和任務(wù)調(diào)度能力。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)截然不同的。

1 LEACH協(xié)議
簇的建立和簇頭特定任務(wù)的分配對于整個系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、壽命和能量效率起著非常大的作用。聚類路由是降低簇中能量消耗的一種有效方式。LEACH(Low-Energy Adaptive Cluster-based Hierarchy)算法是最早的比較成熟的聚類路由算法。
LEACH協(xié)議的隨機(jī)簇頭選擇分布不均勻，而且LEACH協(xié)議是根據(jù)節(jié)點(diǎn)曾經(jīng)擔(dān)當(dāng)簇頭的次數(shù)來決定是否擔(dān)任簇頭而沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量；同時，LEACH網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在節(jié)點(diǎn)數(shù)量大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用時會采集大量的冗余數(shù)據(jù)，這樣會使網(wǎng)絡(luò)由于處理大量的冗余數(shù)據(jù)而使網(wǎng)絡(luò)能耗大大增加，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
LEACH-C(LEACH-centralized)是集中式的簇頭產(chǎn)生算法，由基站負(fù)責(zé)挑選簇頭。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，節(jié)點(diǎn)覆蓋密度也大，這樣無法避免地使單個節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)與整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)有很大的關(guān)聯(lián)性。而用戶需要的，并不是所有的節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)(包含冗余數(shù)據(jù))，而只是對發(fā)生事件的描述——利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集分析出的被觀測區(qū)域正在發(fā)生的事件狀況。

2 LEACH協(xié)議的改進(jìn)
可以對LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，在成簇階段(setupstate)之前，插入一個以節(jié)點(diǎn)能量為判斷標(biāo)準(zhǔn)的篩選過程，將節(jié)點(diǎn)的剩余能量與網(wǎng)絡(luò)的平均能量相比較，一旦判斷出本節(jié)點(diǎn)的能量大大的低于網(wǎng)絡(luò)的平均能量，宣布節(jié)點(diǎn)在接下來的循環(huán)進(jìn)入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點(diǎn)，并再次進(jìn)行篩選。同時，對成簇階段的非簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，在接下來的循環(huán)中使其進(jìn)入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來時才重新開啟節(jié)點(diǎn)。
能耗設(shè)置方面，作了如下設(shè)置：發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能耗包括啟動收發(fā)機(jī)能耗和放大信號能耗；接受節(jié)點(diǎn)的能耗設(shè)置為啟動收發(fā)機(jī)能耗。如圖1所示。

從圖1可以看出：每處理k個bit的信息，需要消耗的能量為Eelec*k，而信號放大能量需要由信號傳播的距離決定，εamp為放大系數(shù)。我們可以把距離分作兩種：信號在簇內(nèi)部傳輸時，我們視其為自由空間傳輸，此時信號收發(fā)機(jī)的能耗為：為簇間傳輸距離。