摘  要： 通過分析LEACH協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn),，提出了一種改進(jìn)的基于位置的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議——PBCP。該協(xié)議對LEACH的簇首選擇機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn),，同時基于位置信息將簇首與Sink節(jié)點(diǎn)之間的通信由單跳改為多跳,。仿真結(jié)果表明，與LEACH協(xié)議相比,，PBCP協(xié)議能夠有效節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量,，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間,。
關(guān)鍵詞： 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò),；位置；分簇,；路由協(xié)議

    水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Networks)是水聲通信技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合所產(chǎn)生的一個新的研究領(lǐng)域,，經(jīng)常應(yīng)用于對固定海域的長期監(jiān)測。這種網(wǎng)絡(luò)一旦部署完畢,，就需要在水下長期工作,，而且,，在此期間一般不會更換節(jié)點(diǎn)電池，因此延長網(wǎng)絡(luò)生命期成為水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個熱點(diǎn)問題,。在路由協(xié)議中,，合理地選擇路由對提高節(jié)點(diǎn)的能量效率、延長網(wǎng)絡(luò)生命期十分重要[1],。LEACH協(xié)議分簇概念被引入之后,，使得網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能以及網(wǎng)絡(luò)壽命方面得到了很大提高，然而LEACH協(xié)議在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也有其自身不可忽略的局限性[2],。本文在LEACH算法的基礎(chǔ)上介紹了一種改進(jìn)的路由算法PBCP(Position-based Clustering Protocol),，該算法在簇首選舉過程中充分考慮節(jié)點(diǎn)的能量因素，避免剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn),。
1 LEACH協(xié)議及性能分析
1.1 LEACH算法描述
    LEACH協(xié)議的全稱是“低功耗自適應(yīng)集群分層協(xié)議”(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy),，它采用動態(tài)分簇技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)輪換充當(dāng)簇首,，以均衡網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗,，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在LEACH算法中,，節(jié)點(diǎn)自組織成不同的簇,，每個簇只有一個簇首。所有非簇首節(jié)點(diǎn)將自己的數(shù)據(jù)發(fā)給所屬簇的簇首節(jié)點(diǎn),，為減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸,，簇首節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)融合后將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)方的Sink節(jié)點(diǎn)[3]。這樣,，每個非簇首節(jié)點(diǎn)都只需要知道自己所屬簇的簇首信息即可,，簇首也只需要維持很小的路由表，為了避免簇首能量消耗過快,，每個節(jié)點(diǎn)須輪流擔(dān)任簇首,。
    因此LEACH算法的實現(xiàn)分成若干輪，每一輪又可分成簇形成階段和簇傳輸階段,，而簇傳輸階段遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于簇形成階段,。在簇形成階段，每一個還沒有擔(dān)任過簇首的節(jié)點(diǎn)分別生成0～1之間的隨機(jī)數(shù),，如果生成的隨機(jī)數(shù)小于給定的閾值T(n),，則選擇為簇首。T(n)的計算方法如下：    
    
其中,，p是簇首在所有節(jié)點(diǎn)中所占的百分比,，r是選舉輪數(shù)，G代表最近l/p輪中還沒有當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)集合。
    一旦節(jié)點(diǎn)被選定為簇首后,，就向外發(fā)送簇首廣播信息,。非簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的簇首廣播信息的信號強(qiáng)弱決定要加入哪個簇，并向?qū)⒁尤氪氐拇厥装l(fā)送入簇請求,。簇首在收到請求后將該節(jié)點(diǎn)加入自己的路由表并為每個節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個TDMA定時消息,，并且通知該簇中所有節(jié)點(diǎn),。此后的簇傳輸階段,，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照該TDMA時間表與簇首進(jìn)行通信，簇首節(jié)點(diǎn)接收簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,，然后發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。每隔一定時問,，整個網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入簇形成階段開始新一輪的簇首選舉過程,。
1.2 LEACH算法的不足
    LEACH協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，與平面路由相比簡化了路徑的選擇及路由信息的存儲,，同時自適應(yīng)隨機(jī)選取簇首節(jié)點(diǎn),，利于實現(xiàn)全網(wǎng)負(fù)載的均衡。但是LEACH協(xié)議存在下列3個方面的問題,，制約著網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗,。
    （1）節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首是嚴(yán)格的等概率選擇，能量較低的節(jié)點(diǎn)一旦成為簇首很容易耗盡能量而死亡,；
    （2）每一輪通信結(jié)束后都要重新執(zhí)行簇首選擇和簇內(nèi),、簇間路由的建立，導(dǎo)致了大量的能量消耗,；
    （3）簇首節(jié)點(diǎn)以單跳形式向基站傳送數(shù)據(jù),，不僅會導(dǎo)致距離基站較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的能量消耗過大，也不利于網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模擴(kuò)展,。

2.2 鏈路層協(xié)議
2.2.1 鏈路層協(xié)議的選擇
    與陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)不同,，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)具有傳輸時延大、可用頻帶有限,、嚴(yán)重的時變多途影響等,。因此選取合理有效的鏈路層協(xié)議顯得至關(guān)重要。鏈路層協(xié)議的基本任務(wù)是為傳感器節(jié)點(diǎn)分配有限的水聲信道資源,，避免沖突,。
    由于水聲信道為共享介質(zhì)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中可能會與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞,，造成發(fā)送包被丟棄,，需重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致碰撞節(jié)點(diǎn)發(fā)送這些數(shù)據(jù)消耗更多額外的能量，同時節(jié)點(diǎn)會接收并處理不必要的數(shù)據(jù),，然后再將其丟棄,，造成節(jié)點(diǎn)的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。因此需要考慮采用信道復(fù)用技術(shù)來合理分配水聲信道,。常用的信道復(fù)用技術(shù)包括頻分多址FDMA,、時分多址TDMA和碼分多址CDMA[5]。由于水聲信道的通信帶寬非常有限,，通常只有幾千赫量級,，基本無法使用頻分多址技術(shù)實現(xiàn)多用戶通信；而時分多址要求有時間保護(hù)間隔,，且對時間同步的要求非常高,，所以不適合大范圍的水聲通信；碼分多址是實現(xiàn)水下多用戶通信的可行技術(shù)選擇[6],。
    碼分多址具有系統(tǒng)容量高,、功耗低、抗干擾性好,、抗多徑衰落,、保密安全性高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)[7],。碼分多址系統(tǒng)為每個用戶分配了各自特定的地址碼,，利用地址碼序列的正交性和準(zhǔn)正交性來區(qū)分不同用戶，在同頻,、同時的條件下,，各接收機(jī)根據(jù)不同信號碼型之間的差異分離出需要的信號[8]。
    基于以上因素,，本文考慮采用基于時分多址和碼分多址的混合信道復(fù)用技術(shù),，即Sink節(jié)點(diǎn)采用一個彼此共知的CDMA擴(kuò)頻碼（以下簡稱公共信道）與所有節(jié)點(diǎn)之間通信，每個簇內(nèi)采用唯一的CDMA擴(kuò)頻碼進(jìn)行通信,，避免簇間的信道沖突,。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇首之間的通信采用時分復(fù)用技術(shù)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)只在規(guī)定的時隙向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),。簇首與Sink節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行多跳傳輸時每個簇首節(jié)點(diǎn)都將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過下一跳節(jié)點(diǎn)的跳頻碼字發(fā)送,。
2.2.2 擴(kuò)頻地址碼的分配
    由于碼分多址要求每條信道所采用的擴(kuò)頻地址碼唯一，故考慮在簇首選出后由Sink節(jié)點(diǎn)對擴(kuò)頻地址碼進(jìn)行統(tǒng)一分配,。簇首節(jié)點(diǎn)在收到分配給本簇的擴(kuò)頻碼后將自身當(dāng)選簇首的消息連同自身位置信息和該擴(kuò)頻碼通過公共信道進(jìn)行廣播,，為了避免多個簇首節(jié)點(diǎn)在同一時刻廣播自己的消息造成信道沖突，本文考慮采用MACA協(xié)議中的RTS/CTS握手機(jī)制[9]：每個節(jié)點(diǎn)在當(dāng)選簇首后通過公共信道向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個RTS請求,，Sink節(jié)點(diǎn)在收到所有的請求后為每個簇首節(jié)點(diǎn)分配一個唯一的CDMA擴(kuò)頻碼,，并按照請求的順序依次給相應(yīng)簇首發(fā)送攜帶其擴(kuò)頻碼的CTS回應(yīng),，簇首節(jié)點(diǎn)在收到CTS后，使用公共信道向全網(wǎng)廣播自己當(dāng)選簇首的消息,，Sink節(jié)點(diǎn)在收到這一廣播后繼續(xù)給下一個簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS回應(yīng),直到所有的簇首節(jié)點(diǎn)都將自己的消息廣播出去,。
2.3 網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)
    (1)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，Sink節(jié)點(diǎn)沒有能量限制,；
    (2)本文討論的水聲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),，不考慮節(jié)點(diǎn)的移動性；
    (3)各節(jié)點(diǎn)的初始能量相等,，各節(jié)點(diǎn)都有功率調(diào)節(jié)裝置,，可以根據(jù)距離的遠(yuǎn)近調(diào)整發(fā)射功率；
    (4)傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過外部設(shè)施或是其他的定位機(jī)制獲得其地理位置信息,；
    (5)每個傳感器節(jié)點(diǎn)都有一個唯一的ID作為其在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識,；
    (6)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，每個傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍都可以覆蓋整個網(wǎng)絡(luò),。
2.4 改進(jìn)算法的描述
2.4.1 簇首節(jié)點(diǎn)的選擇
    在每一輪的信息傳遞中，所有節(jié)點(diǎn)都把自身的當(dāng)前能量值隨采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給簇首,，簇首在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后連同自己的剩余能量信息發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn),，Sink節(jié)點(diǎn)在每輪通信結(jié)束后便掌握了所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息。這樣Sink節(jié)點(diǎn)便可以計算出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均能量Eavg并在發(fā)出開始下一輪簇首選舉的命令中攜帶這一參數(shù),。所有節(jié)點(diǎn)在收到簇首選舉命令后將自身能量E與Eavg進(jìn)行比較,，若E>Eavg，則參與簇首選舉,，反之,，放棄選舉簇首。簇首的選舉依據(jù)式(6)：
  
 

    由于所選出的簇首節(jié)點(diǎn)能量均高于節(jié)點(diǎn)的平均能量,，這樣便可以保證整個網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)在一定時期內(nèi)相對穩(wěn)定,。在出現(xiàn)了能量過低的簇首節(jié)點(diǎn)而執(zhí)行簇內(nèi)簇首重選時，只更改了本簇內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和上一跳簇首節(jié)點(diǎn)的路由表,，分簇結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)并沒有改變,，避免了每輪重選簇首造成的大量能耗和長時延。
3 算法的仿真分析
3.1 仿真參數(shù)
    為了驗證PBCP算法的性能, 在MATLAB環(huán)境中對PBCP和LEACH協(xié)議進(jìn)行了仿真比較,。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為一個Sink節(jié)點(diǎn)和100個sensor節(jié)點(diǎn),，分布在20 km×20 km的區(qū)域內(nèi)。仿真參數(shù)如表1所示,。

    從圖3中可以看出,，PBCP協(xié)議的死亡節(jié)點(diǎn)達(dá)到一半時，LEACH協(xié)議的節(jié)點(diǎn)數(shù)已經(jīng)接近全部死亡,。與應(yīng)用LEACH協(xié)議相比網(wǎng)絡(luò)生存期延長了約45％,，并且大大推遲了第一個節(jié)點(diǎn)死亡的時間，仿真結(jié)果表明，應(yīng)用PBCP協(xié)議能夠有效節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量,，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

    延長網(wǎng)絡(luò)生命期成為水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個熱點(diǎn)問題,。在路由協(xié)議中,，合理地選擇路由，對提高節(jié)點(diǎn)的能量效率,，延長網(wǎng)絡(luò)生命期十分重要,。本文在LEACH算法的基礎(chǔ)上，介紹了一種改進(jìn)的路由算法PBCP,，該算法在簇首選舉過程中充分考慮節(jié)點(diǎn)的能量因素,，避免剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)。下一步的研究包括：在簇首節(jié)點(diǎn)的選舉中綜合考慮能量位置等因素,；保證簇首節(jié)點(diǎn)在地理上均勻分布,；驗證該協(xié)議在三維環(huán)境中的能耗性能；優(yōu)化執(zhí)行簇內(nèi)簇首重選,、簇結(jié)構(gòu)重新建立的閾值參數(shù)等,。
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