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探討無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH路由協(xié)議的變化
引言
當(dāng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度突飛猛進(jìn)，使數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力迅速提高后，當(dāng)存儲(chǔ)器的容量無(wú)限增長(zhǎng)，使海量存儲(chǔ)得以實(shí)現(xiàn)時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬一再提升，數(shù)據(jù)傳輸己變得輕而易舉時(shí)，如何高效地獲取尤其是遠(yuǎn)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱WSNs)[1]應(yīng)運(yùn)而生。部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，稱之為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）。協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息并發(fā)送給觀察者是WSN 的主要目的。其要素是傳感器、感知對(duì)象和觀察者。傳感器之間、傳感器與觀察者之間以無(wú)線的形式建立通信路徑，達(dá)到協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的感知對(duì)象信息的目的。實(shí)際情況下，WSN 中的節(jié)點(diǎn)是在不斷運(yùn)動(dòng)的，本文中所提到的節(jié)點(diǎn)都是靜止?fàn)顟B(tài)下的，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以沖淡路由器，具有搜索、定位、和恢復(fù)連接的能力。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由分類
路由協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸是必不可少的，WSN 路由協(xié)議延續(xù)了Ad hoc 網(wǎng)的分類方法，可以根據(jù)不同的角度進(jìn)行分類�？筛鶕�(jù)根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)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)路由兩種類型；可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)不同，將WSN 路由協(xié)議分為平面路由和分層結(jié)構(gòu)路由兩類[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(yīng)聚類分級(jí)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(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中,這主要是通過(guò)隨機(jī)循環(huán)地選擇簇首節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)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(yùn)行過(guò)程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇重構(gòu)過(guò)程。
傳統(tǒng)的 WSN 基于簇的結(jié)構(gòu)被關(guān)注。因?yàn)榇厥坠?jié)點(diǎn)的能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非簇首節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致簇首節(jié)點(diǎn)比非簇首節(jié)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(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)協(xié)助簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終，簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并將數(shù)據(jù)傳給sink 節(jié)點(diǎn)。
每一輪，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)賦予0-1 之間的任意值，如果這個(gè)值小于最低預(yù)測(cè)極限值，則節(jié)點(diǎn)變?yōu)榇厥祝?br /> P 是在網(wǎng)絡(luò)中頭節(jié)點(diǎn)在所有節(jié)點(diǎn)中的比例；r 是當(dāng)前選擇輪數(shù)；G 是過(guò)去1/p 輪未被選為簇首的節(jié)點(diǎn)集合。
3 LEACH 協(xié)議改進(jìn)與仿真
3.1 對(duì)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(jù)公式其中，假設(shè)每個(gè)簇在WSN 中所占的面積為S/k ，dtoBS 為簇首節(jié)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(shù)，εtwo-ray-amp Two-ray Groundmodel 時(shí)的放大器參數(shù)。
結(jié)合 WSN 內(nèi)情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分簇?cái)?shù)目C 進(jìn)行估算，得出每簇的節(jié)點(diǎn)數(shù)目V=節(jié)點(diǎn)總數(shù)Y/C,將V 設(shè)置為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)的最高門(mén)限值，即成簇節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)最高值。形成簇及簇首選取流程圖如圖所示。統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)目Vi，如果Vi>V，則放棄該組節(jié)點(diǎn)成簇的機(jī)會(huì)；如果Vi≤V，將節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行排序，按照節(jié)點(diǎn)數(shù)目大小排序?yàn)閝1、q2、q3、q4…qi…qc，如果發(fā)現(xiàn)其中qm、qn（m>n）互為鄰節(jié)點(diǎn)，則在序列中舍棄qn，后面的節(jié)點(diǎn)依次向前增補(bǔ)。此時(shí)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為了C 個(gè)區(qū)域，任取其中某一個(gè)子區(qū)域，其節(jié)點(diǎn)集合為Ci，抽取該自子區(qū)域內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)目最多的節(jié)點(diǎn)qi，其剩余能量為Ei，此qi 的鄰節(jié)點(diǎn)集合記為D，則D=Ci-{qi}，qi∈Ci，D 中任意一節(jié)點(diǎn)e，其能量為Ee，如果：Ei>Ee，e∈D，則qi 為該簇簇首節(jié)點(diǎn)，否則，計(jì)算max（Ee） e∈D，則e 為簇首節(jié)點(diǎn)。
3.2 NS-2 仿真驗(yàn)證
針對(duì)上述 LEACH 協(xié)議中存在的問(wèn)題，結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)的不一定撒布在平坦地帶，節(jié)點(diǎn)之間可能存在空間距離，所以本文提出了將節(jié)點(diǎn)與三維坐標(biāo)系結(jié)合起來(lái)，這樣既方便節(jié)點(diǎn)的定位，適合WSN 中因節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(duì)于解決節(jié)點(diǎn)安全問(wèn)題、剩余能量的均衡以及延長(zhǎng)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(guī)模擴(kuò)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(shè) WSN 的具體情況如下：
�、俅罅康墓�(jié)點(diǎn)被隨機(jī)分布在不平整的區(qū)域內(nèi)；
�、诮⒁粋�(gè)以所處位置海拔最低的節(jié)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(biāo)系；
③在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，均勻分布具有GPS 定位功能的信標(biāo)節(jié)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(jié)點(diǎn)都能夠通過(guò)GPS 系統(tǒng)確認(rèn)自己的位置坐標(biāo)；
�、軘�(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)基于查詢的；
�、輰�(duì)于節(jié)點(diǎn)間的通信阻礙忽略不計(jì)；
�、蘧W(wǎng)絡(luò)中無(wú)線鏈路都是雙向的，也就是說(shuō)假如節(jié)點(diǎn)1 在節(jié)點(diǎn)2 的傳輸范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)2也在節(jié)點(diǎn)1 的傳輸范圍內(nèi)；
�、遅SN 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的結(jié)構(gòu)所示：
仿真環(huán)境：仿真工具采用NS-2 平臺(tái)，版本2．28，操作系統(tǒng)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(chǔ)上進(jìn)行了編寫(xiě)修改和補(bǔ)充完善的， 并對(duì) 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(nèi)存1GB。仿真環(huán)境中，100 個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在70 m×70m×10m 的三維區(qū)域內(nèi)，基站坐標(biāo)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(shù)值。
網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣主要是靠每輪存活的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目來(lái)反映。存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越大，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域就越廣，每輪參與選取的節(jié)點(diǎn)就越多，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。下面，針對(duì)簇首個(gè)數(shù)的多少分別進(jìn)行仿真，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分布區(qū)域情況，計(jì)算出最優(yōu)簇首數(shù)目為5 個(gè)，傳統(tǒng)LEACH 協(xié)議初始化網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用的簇首數(shù)目為6 個(gè)，比較這兩種情況下的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
選擇6 個(gè)簇首節(jié)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(jié)點(diǎn)死亡，到400s 的時(shí)候全部節(jié)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(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡，在500s 附近所有節(jié)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(zhǎng)許多。主要是因?yàn)檫x擇6 個(gè)簇首的網(wǎng)絡(luò)每輪平均能耗大，導(dǎo)致有些節(jié)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(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)后，節(jié)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(jié)點(diǎn)死亡，在370s 時(shí)就有24 個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡了，380 s 時(shí)激增到44 個(gè)，400s 時(shí)全部節(jié)點(diǎn)消亡。而選擇5 個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，死亡節(jié)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。
b、節(jié)點(diǎn)消耗的總能量比較對(duì)于 WSN 來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)能量是非常有限的，網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要指標(biāo)就是節(jié)點(diǎn)的能耗。
單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗越少，網(wǎng)絡(luò)的生命周期也就會(huì)越長(zhǎng)。比較簇首數(shù)為5 和6 兩種情況下節(jié)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(jié)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(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)曲線上面，這說(shuō)明從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)一直到所有節(jié)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(xiàn)的更為明顯，此時(shí)6 簇首的網(wǎng)絡(luò)能量消耗出現(xiàn)跳變，所消耗的能量突然變大，主要是因?yàn)樵?80s 時(shí)有44 個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，390s 時(shí)死亡了79 個(gè)節(jié)點(diǎn)，400s 時(shí)全部節(jié)點(diǎn)都死亡了。在390s 時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所擁有的能量就只能維持一次通信。通過(guò)仿真驗(yàn)證，改進(jìn)后的LEACH 協(xié)議有效保證了節(jié)點(diǎn)公平承擔(dān)能量消耗的負(fù)擔(dān)，保證了網(wǎng)絡(luò)能量的均衡。
結(jié)束語(yǔ)：能量對(duì)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(fèi)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(duì)LEACH 協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，達(dá)到了預(yù)期的效果，減小了網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
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