傳感器網絡中基于LEACH的多級數據融合技術

　　摘 要： 無線傳感器網絡是當今信息領域研究的熱點，數據融合和路由是無線傳感器網絡的重要技術。本文根據分層結構的傳感器網絡，提出一種基于LEACH路由協議的多級數據融合技術，該技術能保證網絡數據傳輸的有效性，節省了傳感器節點的能量，延長了網絡的生命周期，并通過理論分析和仿真結果加以了驗證。
　　關鍵詞： 無線傳感器網絡 數據融合 LEACH協議
　　
　　1.引言
　　隨著無線通信技術、微型制造技術，以及電池技術的快速發展，微小的傳感器已具備感應、無線通信，以及信息處理能力。無線傳感器網絡有廣闊的應用前景，能廣泛用于軍事、環境、醫療保健、空間探索及各種商業應用。
　　數據融合是無線傳感器網絡中非常重要的一項技術，也是目前的一個研究熱點。該技術通過一定的算法將傳感器節點采集的大量原始數據進行各種網內處理，去除其中的冗余信息，只將少量的有意義的處理結果傳輸給匯聚節點。數據融合技術能有效地減少網絡中的數據傳輸量［１］。本文基于分層結構傳感器網絡的LEACH協議，提出一直多級數據融合技術，該協議能保證網絡數據傳輸的可靠性和有效性，節省了傳感器節點的能量，延長了網絡的生命周期，并通過理論分析和仿真結果加以了驗證。
　　2.LEACH協議
　　LEACH［2］是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應分簇路由協議。與一般的平面多跳路由協議和靜態簇類算法相比，LEACH可以將網絡生命周期延長15%。LEACH定義了輪（round）的概念，其執行過程是周期的，每輪循環分為簇的建立和穩定的數據通信階段。為避免額外的處理開銷，穩定工作狀態一般持續的時間相對較長。在初始化簇建立階段，簇頭通過如下機制產生。每個節點生成0—1之間的隨機數，若某節點產生的隨機數大于閾值T（n），則該節點當選為簇頭。T（n）的計算方法如下：
　　If n∈G，T（n），
　　Otherwise，T（n）=0
　　其中，P為節點中已當選為簇頭的百分數，r是當前的輪數，G是在過去的1/P輪沒有被選為簇頭的節點集合。
　　3.基于LEACH的多數據融合技術
　　3.1分層結構的無線傳感器網絡
　　圖1給出分層分簇結構的無線傳感器網絡模型。整個網絡由基站即Command node或sink節點、傳感器節點（包括sensor node和cluster head）組成。網絡中的節點以自組織的方式進行組網通信，簇內的同層普通節點之間不可進行通信，但簇間的各個簇頭節點可以進行通信；底層節點負責數據的采集，高層節點進行必要的數據融合和數據轉發。
　　線傳感器網絡結構
　　3.2基于LEACH的多級數據融合技術的執行過程
　　對于分層分簇型結構的無線傳感器網絡，網內數據融合技術的實現是基于簇頭之間的層次性數據的處理。無線傳感器網絡首先初始化成大量的簇，再在簇頭節點之間形成反向多播融合樹。網絡底層的數據源節點感測到數據后將數據直接發送至它所在簇的簇頭節點，在簇頭節點進行融合處理后，再經過反向多播融合樹的融合處理轉發給更高層簇頭，高層簇頭節點繼續進行數據融合處理直至數據傳輸到匯聚節點，最后由匯聚節點進行數據的融合處理。如此形成的數據傳輸方式稱為多級數據融合技術。
　　假設初始化過程是在配置網絡的時候隨機確定的，簇頭與簇的形成均預先確定，經過一輪的通信完成后，協議再按照LEACH的執行過程進行數據傳輸，具體運行步驟如下。
　　（1）簇頭候選節點發送消息到基站請求當選簇頭，基站（Command node）接收后反饋消息進行確認。
　　（2）已當選為簇頭的節點廣播消息，以便周圍節點知道其已成為簇頭，方便它們選擇合適的簇加入。
　　（3）簇的形成過程：當某一傳感器節點請求加入新的簇中時，相關的兩個簇頭進行秘密會話，以驗證節點確定其加入與否。
　　（4）簇頭與簇均確定后，簇頭將為每一個簇成員分配時隙以便數據的及時接收。
　　（5）簇頭接收簇成員傳送的信息后，進行必要的數據融合處理后傳送到高層的簇頭節點。
　　（6）高層簇頭節點對底層的簇頭節點傳輸過來的信息進行數據融合處理，直至數據傳輸到基站或匯聚節點。
　　（7）基站發動新一輪的消息傳輸，網絡進入下一循環，要求簇頭再次選擇并重新組建新的簇和不同層次的網絡分簇結構。
　　4.系統仿真分析及性能評價
　　利用OMNET++（Objective Modular Network Testbed in C++）對本文所述的包涵多級數據融合處理的LEACH議進行了模擬仿真。實驗從能量有效性方面與基于第三方可信的密鑰分發系統KDC（Key Distribution Center）的Kerberos協議進行了分析比較。仿真時定義傳感器節點個數為1000個，節點形成簇的個數為10個。
　　實驗結果表明，Kerberos協議的平均能耗處于mJ量級。從圖2可以看出其大部分節點的能耗均在1.0—3.0mJ范圍，可見這對于節點能量相當受限的傳感器節點來說，消耗是很大的。
　　圖3 多級數據融合處理的LEACH協議平均能耗
　　圖3表明網絡中節點的平均能耗在50uJ以下。本文協議利用多級數據融合處理的所有節點平均能耗為uJ量級。這一結論在實際應用中是相當可觀的。
　　5.結論與展望
　　本文主要分析了一種基于LEACH的多級數據融合算法。源節點發送的數據經中間簇頭節點轉發時，中間簇頭節點查看數據包的內容并進行相應的數據融合后傳送到高層的簇頭節點，如此一級一級傳送下去直至的數據傳送到匯聚節點，由匯聚節點實現數據的綜合。該結構在一定程度上提高了網絡數據收集的整體效率，減少了傳輸的數據量。同時，數據的傳輸主要基于LEACH協議，該分簇路由協議更符合無線傳感器網絡基于數據的路由需求。兩者結合能很好地簡化對網絡的查詢，降低網絡節點的平均能耗。
　　
　　參考文獻：
　　［1］S.Avancha，J.L.Undercoffer，A.Joshi，and J.Pinkston.Secure sensor networks for perimeter protection.Computer Networks，November 2003，43（4）：421-435.
　　［2］W.R.Heinzelman，A.Chandrakasan，and H.Balakrishnan，，Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks，Proc.of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences（HICSS），Jan.2000：3005-3014.
　　［3］Gaurav Jolly，Mustafa C.Kukate，A Low-Energy Key Management Protocol for Wireless Sensor Networks，in：Proceedings of the Eighth IEEE International Symposium on Computers and Communication （ISCC’03）.Turkey：July 2003，（1）：335-340.
　　
　　基金項目：桂林航天工業高等專科學校，青年科技基金項目資助，X10Q024。