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探討無線傳感器網絡LEACH路由協議的變化
引言
當計算機的運算速度突飛猛進，使數據處理和計算能力迅速提高后，當存儲器的容量無限增長，使海量存儲得以實現時，當網絡的帶寬一再提升，數據傳輸己變得輕而易舉時，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，于是融合了傳感器技術、信息處理技術和網絡通信技術的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)[1]應運而生。部署在檢測區域內的傳感器節點通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織網絡系統，稱之為無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）。協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息并發送給觀察者是WSN 的主要目的。其要素是傳感器、感知對象和觀察者。傳感器之間、傳感器與觀察者之間以無線的形式建立通信路徑，達到協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域內的感知對象信息的目的。實際情況下，WSN 中的節點是在不斷運動的，本文中所提到的節點都是靜止狀態下的，并且每個節點都可以沖淡路由器，具有搜索、定位、和恢復連接的能力。
1 無線傳感器網絡路由分類
路由協議對于網絡傳輸是必不可少的，WSN 路由協議延續了Ad hoc 網的分類方法，可以根據不同的角度進行分類。可根據根據路由發現策略的角度不同，將WSN 路由協議分為主動路由和被動路由兩種類型；可根據網絡管理的邏輯結構不同，將WSN 路由協議分為平面路由和分層結構路由兩類[2 ][3]。
2 LEACH[4-6]路由協議
層次路由協議中最具代表性的是LEACH 路由協議，該協議是低功耗自適應聚類分級路由協議[7-9]其他層次式的路由協議如TEEN、APTEEN、PEGASIS 等大都由LEACH 發展而來。
LEACH 的基本思想是將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中,這主要是通過隨機循環地選擇簇首節點實現的，從而有效將網絡能源消耗降低，提高網絡整體生存時間。
LEACH 在運行過程中不斷地循環執行簇重構過程。
傳統的 WSN 基于簇的結構被關注。因為簇首節點的能量消耗遠遠大于非簇首節點，導致簇首節點比非簇首節點消亡的要快。為了解決這個問題，Heinzeman 提出了LEACH。這個算法的基本思想是周期性的選擇簇。每個周期成為“輪”，每一輪選擇簇首節點，其他節點協助簇首節點進行數據傳輸，最終，簇首節點對數據進行融合并將數據傳給sink 節點。
每一輪，每個節點被隨機賦予0-1 之間的任意值，如果這個值小于最低預測極限值，則節點變為簇首：
P 是在網絡中頭節點在所有節點中的比例；r 是當前選擇輪數；G 是過去1/p 輪未被選為簇首的節點集合。
3 LEACH 協議改進與仿真
3.1 對LEACH 協議的簇的形成和簇首選取方法進行改
進本文提出的改進協議中，簇的形成和簇首選取的過程如所示。根據公式其中，假設每個簇在WSN 中所占的面積為S/k ，dtoBS 為簇首節點到基站BS 的平均距離，εfriss-amp 為Friss frss space model 時的放大器參數，εtwo-ray-amp Two-ray Groundmodel 時的放大器參數。
結合 WSN 內情況，對網絡內分簇數目C 進行估算，得出每簇的節點數目V=節點總數Y/C,將V 設置為簇內節點數的最高門限值，即成簇節點的個數最高值。形成簇及簇首選取流程圖如圖所示。統計網絡中各節點的鄰節點數目Vi，如果Vi>V，則放棄該組節點成簇的機會；如果Vi≤V，將節點的鄰節點數目進行排序，按照節點數目大小排序為q1、q2、q3、q4…qi…qc，如果發現其中qm、qn（m>n）互為鄰節點，則在序列中舍棄qn，后面的節點依次向前增補。此時，將整個網絡分為了C 個區域，任取其中某一個子區域，其節點集合為Ci，抽取該自子區域內的鄰節點數目最多的節點qi，其剩余能量為Ei，此qi 的鄰節點集合記為D，則D=Ci-{qi}，qi∈Ci，D 中任意一節點e，其能量為Ee，如果：Ei>Ee，e∈D，則qi 為該簇簇首節點，否則，計算max（Ee） e∈D，則e 為簇首節點。
3.2 NS-2 仿真驗證
針對上述 LEACH 協議中存在的問題，結合傳感器節點的不一定撒布在平坦地帶，節點之間可能存在空間距離，所以本文提出了將節點與三維坐標系結合起來，這樣既方便節點的定位，適合WSN 中因節點移動，拓撲結構隨時發生變化的特征，又能在簇的形成、簇首選擇中顯得更加快捷、方便，而且對于解決節點安全問題、剩余能量的均衡以及延長整個網絡的生存周期具有一定的效果。尤其是在WSN 的網絡規模擴展上具有一定的實際意義。下面將具體方案闡述如下：
假設 WSN 的具體情況如下：
①大量的節點被隨機分布在不平整的區域內；
②建立一個以所處位置海拔最低的節點為原點以正北為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；
③在整個網絡內，均勻分布具有GPS 定位功能的信標節點，作為整個網絡的通信中樞，網絡中每個節點都能夠通過GPS 系統確認自己的位置坐標；
④數據發送時基于查詢的；
⑤對于節點間的通信阻礙忽略不計；
⑥網絡中無線鏈路都是雙向的，也就是說假如節點1 在節點2 的傳輸范圍內，節點2也在節點1 的傳輸范圍內；
⑦WSN 網絡中每個節點具有相同的結構所示：
仿真環境：仿真工具采用NS-2 平臺，版本2．28，操作系統為windows XP+Cygwin，LEACH 源碼來自M IT 的網站，仿真程序是在LEACH 的基礎上進行了編寫修改和補充完善的， 并對 LEACH 協議的幾個小BUG 進行了修正。
硬件主要配置：CPU 為奔騰2．8 GHz、內存1GB。仿真環境中，100 個節點隨機分布在70 m×70m×10m 的三維區域內，基站坐標取(50，175，0)。每輪簇頭選舉時間間隔為10s。
中列出了仿真中使用的參數值。
網絡性能的優劣主要是靠每輪存活的節點的數目來反映。存活的節點數目越大，網絡覆蓋的區域就越廣，每輪參與選取的節點就越多，從而延長了網絡的生存周期。下面，針對簇首個數的多少分別進行仿真，根據節點數目、分布區域情況，計算出最優簇首數目為5 個，傳統LEACH 協議初始化網絡時，使用的簇首數目為6 個，比較這兩種情況下的存活節點數目。
選擇6 個簇首節點的WSN 網絡在第390 s 的時候就已經開始有節點死亡，到400s 的時候全部節點都已經死亡。選擇5 個簇首的WSN 網絡在420s 才開始出現節點死亡，在500s 附近所有節點全部消亡，由此可以看出，5 個簇首的WSN 網絡的生存周期要比6 個簇首的WSN 生存周期長許多。主要是因為選擇6 個簇首的網絡每輪平均能耗大，導致有些節點提前消亡。從5-3 可以看出，選擇6 個簇首的WSN 網絡在出現死亡節點后，節點死亡的速度比選擇5 個簇首的網絡要快的多，在350 s 時，網絡中就有11 個節點死亡，在370s 時就有24 個節點死亡了，380 s 時激增到44 個，400s 時全部節點消亡。而選擇5 個簇頭節點時，死亡節點的速度比較慢。由此可見，優化后的網絡簇首選擇方法更能提高網絡性能，延長網絡生命周期。
b、節點消耗的總能量比較對于 WSN 來說，節點能量是非常有限的，網絡生命周期的重要指標就是節點的能耗。
單個節點的能耗越少，網絡的生命周期也就會越長。比較簇首數為5 和6 兩種情況下節點消耗的總能量。
從可以看出，WSN 網絡選擇在有5 個簇首節點是，大概在第510 s 才消耗所有能量。而選擇6 個簇首的，則在400 秒左右能量就完所有能量消耗完。選擇6 簇首的WSN 網絡能量消耗一直在選擇5 個簇首節點的網絡曲線上面，這說明從第一個節點一直到所有節點都消亡，選擇6 個簇首的網絡所消耗的平均能量要比簇首為5 的網絡大。具體的講，在380s后表現的更為明顯，此時6 簇首的網絡能量消耗出現跳變，所消耗的能量突然變大，主要是因為在380s 時有44 個節點死亡，390s 時死亡了79 個節點，400s 時全部節點都死亡了。在390s 時，每個節點所擁有的能量就只能維持一次通信。通過仿真驗證，改進后的LEACH 協議有效保證了節點公平承擔能量消耗的負擔，保證了網絡能量的均衡。
結束語：能量對于WSN 來說可以說是至關重要的，在LEACH 協議，由于簇首選取、簇間通信耗費了大量能量，影響了網絡的生存周期，本文從簇的形成到簇首的選取兩個方面對LEACH 協議進行了改進，從仿真實驗結果看，達到了預期的效果，減小了網絡的能耗，延長了網絡的生存周期。
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參考文獻
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