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基于LEACH協(xié)議的簇頭優(yōu)化協(xié)議研究
來源:微型機與應用2012年第19期
張長宏,昝風彪,,唐明虎
(青海民族大學 計算機學院,,青海 西寧 810007)
摘要: 針對無線傳感器網(wǎng)絡的特點,在研究LEACH協(xié)議的基礎上,,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仿真結果顯示,,該協(xié)議能有效地延長網(wǎng)絡的穩(wěn)定期,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 針對無線傳感器網(wǎng)絡的特點,在研究LEACH協(xié)議的基礎上,,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仿真結果顯示,,該協(xié)議能有效地延長網(wǎng)絡的穩(wěn)定期,。
關鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡;LEACH協(xié)議,;分簇協(xié)議,;多跳網(wǎng)絡

 無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng),。目的是協(xié)作感知,、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,并發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡在軍事和民用領域都有著非常廣闊的應用前景[1],。但是這些傳感器節(jié)點體積小,,能量有限,不能更換電池,,因此,,將最大限度延長網(wǎng)絡的生命周期作為一個路由協(xié)議的評價標準。從網(wǎng)絡的拓撲角度分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議,。對于大規(guī)模網(wǎng)絡而言,,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)點的融合功能有效地減少了數(shù)據(jù)通信量,,從而顯著延長了整個網(wǎng)絡的生命時間,。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)點的選擇是隨機產(chǎn)生的,,沒有考慮到節(jié)點的剩余能量,,另外從簇頭到基站采用的是單跳的方式,當距離遠時,,能量消耗太快,。本文基于以上兩點對簇頭進行了優(yōu)化,。
1 LEACH協(xié)議概述
1.1 LEACH算法

 LEACH是Heinzelman等為WSN設計的,,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,,無論是第一個節(jié)點死亡的輪數(shù)和最后一個節(jié)點死亡的輪數(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)傳輸階段兩個部分。為節(jié)省能量,,一般數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時間要大于建立時間,。
1.1.1 簇的建立階段
 設某個時刻t,每個傳感器節(jié)點在第r輪時從(0,,1)之間選擇一個隨機數(shù),如果選定的值小于某個閾值Kn(t),,這個節(jié)點就成為簇首節(jié)點,Ki(t)由式(1)計算得到,。

表示節(jié)點總數(shù),,k為分簇數(shù)。在第1輪中每個節(jié)點成為簇頭的概率為p,,選出的簇節(jié)點個數(shù)都為N×p,。在接下來的N/k-1輪中不會當選簇頭,利用式(1)計算可知,,在沒有節(jié)點死亡時每輪選出的簇頭都為N×p,,但實際中有一定的波動。選為簇頭的節(jié)點向網(wǎng)絡廣播信息,通知產(chǎn)生了一個新簇頭,,接收到信息的節(jié)點根據(jù)信號的強度選擇一個距離其最近的簇頭,,并告知簇頭節(jié)點,最后,,簇頭采用TDMA方法為簇中每個節(jié)點分配向其傳送數(shù)據(jù)的時間片,。
1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸階段
 傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節(jié)點,簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合將結果直接發(fā)送到基站,。
1.2 網(wǎng)絡模型和最優(yōu)簇頭數(shù)的計算
 網(wǎng)絡由N個隨機部署的傳感器節(jié)點組成,,同時有以下假設:(1)傳感器網(wǎng)絡為高密度靜態(tài)網(wǎng)絡,傳感器節(jié)點和基站部署后均不再發(fā)生位置移動,,基站唯一,,而且基站的能量是無限制的,其他節(jié)點有相同的能量,;(2)節(jié)點具備數(shù)據(jù)融合功能,,每個傳感器節(jié)點都有一個唯一的標識(ID);(3)節(jié)點可以根據(jù)接收方距離的遠近調整其發(fā)射功率以減小能量消耗,。LEACH協(xié)議采用的一階無線電模型,,當發(fā)送距離較近時(d≤d0),采用自由空間信道模型,;當發(fā)送距離較遠時(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)點數(shù)的增加而增大,,另外,,離基站越遠,簇頭數(shù)越少,,因此,,向基站傳送數(shù)據(jù)必須先進行融合,再進行傳輸,,這樣才能最大程度地節(jié)省能量,。當節(jié)點部署在100×100正方形區(qū)域,基站在坐標(50,,175)位置時,,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產(chǎn)生的,,每個節(jié)點每次傳輸信息消耗的能量是不同,雖然每個節(jié)點都得到了均衡的使用,,但每個節(jié)點的剩余能量不同,,這使得部分節(jié)點提前耗盡能量,網(wǎng)絡進入不穩(wěn)定期,。另外,,LEACH協(xié)議采用單跳的方式傳輸信息,當簇頭離基站較遠時,,使部分節(jié)點的能耗加大,,壽命縮短。針對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LEACH協(xié)議的簇頭進行優(yōu)化,并形成多跳機制進行數(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)定傳輸兩個階段,。在簇的建立階段引入了節(jié)點剩余能量和估計能量的比值EE,,對LEACH協(xié)議中的閾值Ki(t)進行優(yōu)化,選出初級簇頭,。然后以距離最近的原則選出離基站最近的節(jié)點為超級節(jié)點,,再采用貪婪算法將初級簇頭組成一條鏈,每個節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳給初級簇頭進行數(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)點的剩余能量,同時以最小的代價將數(shù)據(jù)傳給基站,,有效地延長了網(wǎng)絡的壽命,。
2.1 簇的建立

 


 LEACH協(xié)議在簇頭選擇過程中,每個節(jié)點都要產(chǎn)生一個0~1的隨機數(shù)與閾值Ki(t)進行比較,,小于閾值則選為簇頭,。參考文獻[4]通過先用LEACH協(xié)議產(chǎn)生臨時簇頭,再根據(jù)節(jié)點的平均能量和質心位置去優(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,,還要進行大量的計算,使簇的建立階段浪費了許多能量,。因此,,基于既要考慮節(jié)點的剩余能量,又要降低開銷的思路,引入了節(jié)點剩余能量和估計能量的比值EE,,其計算式如下:

 其中,,r為當前運行的輪次,N0為無線傳感器網(wǎng)絡的預計運行輪次,,E0為節(jié)點的初始能量,,Ei為節(jié)點i的剩余能量。使每個節(jié)點產(chǎn)生的隨機數(shù)與Ki′(t)相比較,,剩余的能量越大,,比值EE越大,當選簇頭的可能就越大,;反之,,剩余的能量越小,比值EE越小,,當選簇頭的可能就越小,,從而避免了低能量節(jié)點能量耗盡。當選簇頭的節(jié)點向網(wǎng)絡廣播信息,,通知產(chǎn)生了一個新簇頭,,接收到信息的節(jié)點根據(jù)信號的強度選擇一個簇頭,并告知簇頭節(jié)點,。
 此外,,各簇頭節(jié)點向基站發(fā)送廣播信息,基站根據(jù)信號的強度選與其距離最近的節(jié)點為超級節(jié)點,,并給選定的超級節(jié)點發(fā)信息,,超級節(jié)點根據(jù)各簇頭節(jié)點廣播的信息,選擇最近的簇頭節(jié)點為下一跳,,并發(fā)送廣播通知下一節(jié)點,,下一節(jié)點重復同樣的操作,直到所有的簇頭加入鏈,。
2.2 穩(wěn)定傳輸階段
 傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節(jié)點,,鏈中最后一個簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合,將結果傳送到鏈中的下一簇頭節(jié)點,,下一級簇頭節(jié)點接收到所有簇內節(jié)點和簇頭節(jié)點的信息后進行數(shù)據(jù)融合,,再傳到鏈中的下一個簇頭節(jié)點。進行反復操作,,直到超級節(jié)點融合數(shù)據(jù)后直接發(fā)送到基站,。
3 仿真結果分析
 實驗采用MATLAB進行仿真,模擬實現(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個節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域中,,基站位于(50,,175)。式(9)選定的最佳簇數(shù)為5,,則簇頭的概率p=0.05,,節(jié)點的預計運行輪次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)絡生存周期的比較,,以仿真輪數(shù)代表時間。LEACH協(xié)議和新協(xié)議的第一個節(jié)點死亡出現(xiàn)的輪數(shù)分別為667,、961,,半數(shù)節(jié)點死亡的輪數(shù)分別為913、1 117,,最后一個節(jié)點死亡的輪數(shù)分別為1 719,、1 494。從圖1中可以看出,,新協(xié)議第一個節(jié)點死亡的輪數(shù)和半數(shù)節(jié)點死亡的輪數(shù)都比LEACH長,,尤其是第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)的時間比LEACH長了44%。
 在無線傳感器網(wǎng)絡中,,將從仿真開始到第一個節(jié)點死亡的時期稱為穩(wěn)定期,,該值越大,網(wǎng)絡的性能越好,。將第一個節(jié)點死亡到全部節(jié)點死亡稱為不穩(wěn)定期,,不穩(wěn)定的長短表明了網(wǎng)絡的收斂性,不穩(wěn)定期越長,,網(wǎng)絡性能越長,。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)結果分析出主要的原因,,一方面是對于簇頭的優(yōu)化,另一方面是采用多跳的傳輸技術比較節(jié)省能量,,并且使能量的分布更加均衡,,從而使第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)時間比較晚,同時使網(wǎng)絡有了很好的收斂性,。
本文在分析LEACH協(xié)議的基礎上提出了一種簇頭優(yōu)化協(xié)議,仿真結果顯示,,第一個節(jié)點死亡的時間相比LEACH協(xié)議有了很大提高,,同時,網(wǎng)絡的不穩(wěn)定期縮短,,有很好的收斂性,,提高了網(wǎng)絡的性能,。
參考文獻
[1] 孫利民. 無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京:清華大學出版社,2005.
[2] HEINZELMAN W R,, CHANDRAKASAN A,, BALAKRISHNAN H. Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]. Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences, 2000.
[3] HEINZELMAN W R. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,, 2002,, 1(4):660-670.
[4] 張品,徐智福,,孫巖.一種新的基于簇頭的WSN路由協(xié)議[J].傳感技術學報,,2009(7):1013-1017.

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