《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LEACH協(xié)議的簇頭優(yōu)化協(xié)議研究
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2012年第19期
張長(zhǎng)宏,昝風(fēng)彪,,唐明虎
(青海民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,,青海 西寧 810007)
摘要: 針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),在研究LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上,,提出了一種新的優(yōu)化的分簇多跳算法,。該算法使用能量因子修正了LEACH協(xié)議中的的閾值,產(chǎn)生簇頭,。再將選好的簇頭以距離最短為原則生成一條基站到各簇頭的鏈,,采集的數(shù)據(jù)在簇頭融合后按生成的鏈以多跳的方式提交給基站。MATLAB仿真結(jié)果顯示,,該協(xié)議能有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),在研究LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上,,提出了一種新的優(yōu)化的分簇多跳算法,。該算法使用能量因子修正了LEACH協(xié)議中的的閾值,產(chǎn)生簇頭,。再將選好的簇頭以距離最短為原則生成一條基站到各簇頭的鏈,,采集的數(shù)據(jù)在簇頭融合后按生成的鏈以多跳的方式提交給基站。MATLAB仿真結(jié)果顯示,,該協(xié)議能有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期,。
關(guān)鍵詞: 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);LEACH協(xié)議,;分簇協(xié)議,;多跳網(wǎng)絡(luò)

 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。目的是協(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,。傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1],。但是這些傳感器節(jié)點(diǎn)體積小,能量有限,,不能更換電池,,因此,,將最大限度延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期作為一個(gè)路由協(xié)議的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣嵌确譃槠矫媛酚蓞f(xié)議和分層路由協(xié)議,。對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)而言,,分簇的層次路由協(xié)議相比于平面路由協(xié)議,其采用簇頭節(jié)點(diǎn)的融合功能有效地減少了數(shù)據(jù)通信量,,從而顯著延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間,。LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[2]協(xié)議是一種典型的分簇層次路由協(xié)議。LEACH中簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇是隨機(jī)產(chǎn)生的,,沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量,,另外從簇頭到基站采用的是單跳的方式,當(dāng)距離遠(yuǎn)時(shí),,能量消耗太快,。本文基于以上兩點(diǎn)對(duì)簇頭進(jìn)行了優(yōu)化。
1 LEACH協(xié)議概述
1.1 LEACH算法

 LEACH是Heinzelman等為WSN設(shè)計(jì)的,,仿真表明,,它與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分簇路由協(xié)議相比,無(wú)論是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)都提高了3倍[3],。LEACH的每輪分為簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段兩個(gè)部分,。為節(jié)省能量,一般數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間要大于建立時(shí)間,。
1.1.1 簇的建立階段
 設(shè)某個(gè)時(shí)刻t,,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在第r輪時(shí)從(0,1)之間選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù),如果選定的值小于某個(gè)閾值Kn(t),,這個(gè)節(jié)點(diǎn)就成為簇首節(jié)點(diǎn),,Ki(t)由式(1)計(jì)算得到。

表示節(jié)點(diǎn)總數(shù),,k為分簇?cái)?shù),。在第1輪中每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率為p,選出的簇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都為N×p,。在接下來(lái)的N/k-1輪中不會(huì)當(dāng)選簇頭,,利用式(1)計(jì)算可知,在沒(méi)有節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)每輪選出的簇頭都為N×p,,但實(shí)際中有一定的波動(dòng),。選為簇頭的節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播信息,通知產(chǎn)生了一個(gè)新簇頭,,接收到信息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度選擇一個(gè)距離其最近的簇頭,并告知簇頭節(jié)點(diǎn),,最后,,簇頭采用TDMA方法為簇中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配向其傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間片,。
1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸階段
 傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時(shí)隙傳送到簇頭節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合將結(jié)果直接發(fā)送到基站,。
1.2 網(wǎng)絡(luò)模型和最優(yōu)簇頭數(shù)的計(jì)算
 網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)組成,同時(shí)有以下假設(shè):(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)為高密度靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),,傳感器節(jié)點(diǎn)和基站部署后均不再發(fā)生位置移動(dòng),,基站唯一,而且基站的能量是無(wú)限制的,,其他節(jié)點(diǎn)有相同的能量,;(2)節(jié)點(diǎn)具備數(shù)據(jù)融合功能,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)(ID),;(3)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收方距離的遠(yuǎn)近調(diào)整其發(fā)射功率以減小能量消耗,。LEACH協(xié)議采用的一階無(wú)線電模型,當(dāng)發(fā)送距離較近時(shí)(d≤d0),,采用自由空間信道模型,;當(dāng)發(fā)送距離較遠(yuǎn)時(shí)(d>d0),采用多路徑衰減模型,。具體如下:



 
 根據(jù)式(9)可知,,最優(yōu)簇頭數(shù)與分布的節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比,與到基站的距離成反比,。這代表著最優(yōu)簇頭隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增大,,另外,離基站越遠(yuǎn),,簇頭數(shù)越少,,因此,向基站傳送數(shù)據(jù)必須先進(jìn)行融合,,再進(jìn)行傳輸,這樣才能最大程度地節(jié)省能量,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)部署在100×100正方形區(qū)域,,基站在坐標(biāo)(50,175)位置時(shí),,基站到簇頭的最小距離是75 m,最大距離是185 m,,則最佳簇頭數(shù)的范圍為1~6,取5,,則popt=0.05,。
2 優(yōu)化的協(xié)議
 根據(jù)上面的分析可知,LEACH協(xié)議中簇頭的選擇是隨機(jī)產(chǎn)生的,,每個(gè)節(jié)點(diǎn)每次傳輸信息消耗的能量是不同,雖然每個(gè)節(jié)點(diǎn)都得到了均衡的使用,,但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量不同,,這使得部分節(jié)點(diǎn)提前耗盡能量,網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入不穩(wěn)定期,。另外,LEACH協(xié)議采用單跳的方式傳輸信息,,當(dāng)簇頭離基站較遠(yuǎn)時(shí),,使部分節(jié)點(diǎn)的能耗加大,,壽命縮短。針對(duì)LEACH協(xié)議的這些缺陷,,提出了新的協(xié)議。該協(xié)議的基本思想是對(duì)LEACH協(xié)議的簇頭進(jìn)行優(yōu)化,,并形成多跳機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。與LEACH協(xié)議相近,,本協(xié)議也采用了輪,每輪分為簇的建立和穩(wěn)定傳輸兩個(gè)階段,。在簇的建立階段引入了節(jié)點(diǎn)剩余能量和估計(jì)能量的比值EE,對(duì)LEACH協(xié)議中的閾值Ki(t)進(jìn)行優(yōu)化,,選出初級(jí)簇頭,。然后以距離最近的原則選出離基站最近的節(jié)點(diǎn)為超級(jí)節(jié)點(diǎn),,再采用貪婪算法將初級(jí)簇頭組成一條鏈,每個(gè)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)傳給初級(jí)簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后沿著鏈最后發(fā)給基站,。該算法不僅考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量,同時(shí)以最小的代價(jià)將數(shù)據(jù)傳給基站,,有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命,。
2.1 簇的建立

 


 LEACH協(xié)議在簇頭選擇過(guò)程中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要產(chǎn)生一個(gè)0~1的隨機(jī)數(shù)與閾值Ki(t)進(jìn)行比較,,小于閾值則選為簇頭。參考文獻(xiàn)[4]通過(guò)先用LEACH協(xié)議產(chǎn)生臨時(shí)簇頭,,再根據(jù)節(jié)點(diǎn)的平均能量和質(zhì)心位置去優(yōu)化選簇,,這就需要額外的廣播信息告知自己的位置信息和能量信息,還要進(jìn)行大量的計(jì)算,,使簇的建立階段浪費(fèi)了許多能量,。因此,,基于既要考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量,又要降低開銷的思路,,引入了節(jié)點(diǎn)剩余能量和估計(jì)能量的比值EE,其計(jì)算式如下:

 其中,,r為當(dāng)前運(yùn)行的輪次,N0為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的預(yù)計(jì)運(yùn)行輪次,,E0為節(jié)點(diǎn)的初始能量,,Ei為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量,。使每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與Ki′(t)相比較,剩余的能量越大,,比值EE越大,,當(dāng)選簇頭的可能就越大,;反之,剩余的能量越小,,比值EE越小,當(dāng)選簇頭的可能就越小,,從而避免了低能量節(jié)點(diǎn)能量耗盡,。當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播信息,通知產(chǎn)生了一個(gè)新簇頭,,接收到信息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度選擇一個(gè)簇頭,,并告知簇頭節(jié)點(diǎn),。
 此外,各簇頭節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送廣播信息,,基站根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度選與其距離最近的節(jié)點(diǎn)為超級(jí)節(jié)點(diǎn),并給選定的超級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)信息,,超級(jí)節(jié)點(diǎn)根據(jù)各簇頭節(jié)點(diǎn)廣播的信息,選擇最近的簇頭節(jié)點(diǎn)為下一跳,,并發(fā)送廣播通知下一節(jié)點(diǎn),,下一節(jié)點(diǎn)重復(fù)同樣的操作,,直到所有的簇頭加入鏈。
2.2 穩(wěn)定傳輸階段
 傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時(shí)隙傳送到簇頭節(jié)點(diǎn),,鏈中最后一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,將結(jié)果傳送到鏈中的下一簇頭節(jié)點(diǎn),,下一級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)接收到所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,,再傳到鏈中的下一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn),。進(jìn)行反復(fù)操作,直到超級(jí)節(jié)點(diǎn)融合數(shù)據(jù)后直接發(fā)送到基站,。
3 仿真結(jié)果分析
 實(shí)驗(yàn)采用MATLAB進(jìn)行仿真,模擬實(shí)現(xiàn)了LEACH和本文提出的優(yōu)化的新協(xié)議的性能比較,。仿真主要參數(shù)如下:100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100 m×100 m的區(qū)域中,,基站位于(50,,175)。式(9)選定的最佳簇?cái)?shù)為5,則簇頭的概率p=0.05,,節(jié)點(diǎn)的預(yù)計(jì)運(yùn)行輪次N0=1 500輪。其他主要參數(shù)如表1所示,。

 圖1給出了優(yōu)化的新協(xié)議與LEACH協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存周期的比較,以仿真輪數(shù)代表時(shí)間,。LEACH協(xié)議和新協(xié)議的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡出現(xiàn)的輪數(shù)分別為667,、961,,半數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)分別為913、1 117,,最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)分別為1 719,、1 494。從圖1中可以看出,,新協(xié)議第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)和半數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)都比LEACH長(zhǎng),,尤其是第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間比LEACH長(zhǎng)了44%,。
 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,將從仿真開始到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)期稱為穩(wěn)定期,,該值越大,網(wǎng)絡(luò)的性能越好,。將第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡到全部節(jié)點(diǎn)死亡稱為不穩(wěn)定期,,不穩(wěn)定的長(zhǎng)短表明了網(wǎng)絡(luò)的收斂性,不穩(wěn)定期越長(zhǎng),,網(wǎng)絡(luò)性能越長(zhǎng),。從圖1中還看到,新協(xié)議比LEACH協(xié)議有更好的收斂性,。
 根據(jù)結(jié)果分析出主要的原因,,一方面是對(duì)于簇頭的優(yōu)化,另一方面是采用多跳的傳輸技術(shù)比較節(jié)省能量,,并且使能量的分布更加均衡,,從而使第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間比較晚,同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)有了很好的收斂性。
本文在分析LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種簇頭優(yōu)化協(xié)議,,仿真結(jié)果顯示,,第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間相比LEACH協(xié)議有了很大提高,,同時(shí),網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定期縮短,,有很好的收斂性,提高了網(wǎng)絡(luò)的性能,。
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