基于WSN帶狀網絡路由協議研究

摘要：無線傳感器網絡（WSN）的出現使得很多復雜環境的監測得以實現，而路由協議是WSN中的一個重要研究方向。本文主要研究在帶狀網絡中WSN的拓撲結構，并以LEACH協議為基礎，針對其局限性，提出了一種改進的路由協議L-P。通過仿真表明改進后的協議的確在可靠性和延長網絡生命周期方面比LEACH協議優越，更適應在帶狀網絡中應用。

關鍵詞：無線傳感器網絡（WSN）；LEACH協議；拓撲結構；帶狀網絡

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 14-0052-02

一、概述

路由協議一直以來是無線傳感器網絡中的一個重要研究方向。無線傳感器網絡的路由協議將數據從源節點發送到基站或者匯聚節點，其主要目標是在滿足應用需求的情況下盡可能地降低網絡的能耗，通過有效地能量管理技術避免網絡連通性的惡化，提高網絡的整體性能。但是由于WSN中節點的處理能力和能量有限的局限性，傳統的路由協議無法滿足它的要求，很大程度的影響了路由協議的研究，因此本文的目標是針對帶狀網絡研究一種改進的路由協議L-P。該協議以LEACH為基礎進行改進，更適應帶狀網絡應用。

二、路由協議分析

LEACH協議通過隨機選舉簇頭避免了簇頭過分消耗能量；通過簇頭的數據融合有效減少了通信量，從而提高了網絡生存時間。但該協議采用單跳通信，擴展性差，雖然傳輸時延較小，但要求節點具有較大通信功率，不適合大規模應用；即使在小規模網絡中，離匯聚節點較遠的節點由于采用大功率通信會消耗大量能量，導致生存時間較短；而且頻繁的動態拓撲結構變化和大量額外的廣播也會耗費很多能量。

（三）LEACH協議的不足

LEACH協議雖然是分簇類協議有著不可替代的優勢，但仍有一些地方有待商榷，直接應用于長帶狀狀網絡還是有很多不適應的地方，仍需要根據具體的應用環境進行相應的改進。

（1）簇頭的選擇只遵循等概率，而沒有考慮節點的剩余能量，如果一個能量較低的節點被選作簇頭，就很容易因大工作量耗盡能量而失效，因而縮短了網絡的生命周期。

（2）簇頭是選取隨機的，無法保證簇頭節點的合理分布，如果某區域附近沒有簇頭節點時，該區域內的節點就要選擇加入距離較遠的簇，這樣就增加簇頭和簇內節點的通信距離，使得能量消耗增大。

（3）所有的簇頭都是直接與匯聚節點通信，那么離匯聚節點越遠的簇頭能量就消耗得越快，生存時間就越短，整個網絡也因此受到影響。工作面環境復雜，通信距離經過實測也就30m左右，每個節點都直接與匯聚節點通信是不可能的。如果只是簡單的其之間采用多跳路由，那么離匯聚節點較近的節點因為多輪多次轉發其他簇頭的數據，能量消耗的更多。而且網絡規模越大，節點數目越多，死亡越快，從而影響網絡的生命周期。同時，由于數據向一個方向傳輸，會形成一頭大一頭小的“棒槌”式結構，這必然造成能量的不均衡分布。

（4）傳感器節點在加入簇時僅考慮通信能耗最小，不考慮簇的負載程度，這會導致各個簇中的節點數嚴重不均衡，不利于簇首能量的均衡消耗和網絡生命周期的延長。

四、改進的路由協議研究

（一）網絡拓撲結構

（二）算法設計

L-P協議也是基于分簇的路由協議，但不同于LEACH，由于網絡呈長帶狀分布，若采用單跳路由形式，距離匯聚節點遠的節點能量很容易耗盡。故該協議采用簇間單跳的動態方式傳遞信息。簇頭一旦確定，簇便隨機建立，每簇的簇頭就成為中繼節點。這樣就由簇頭節點組成了多條能夠遍歷整個區域的簇頭鏈，但路徑質量和通信代價良莠不齊，而不同的無線傳感器網絡對于傳輸路徑的能耗或可靠性的要求各有高低。因此通過對每條候選路徑的能耗或丟包率的比較，最終確定一條符合要求的簇頭鏈。如果數據融合量很小，數據流就會呈“棒槌”狀，越靠近匯聚節點數據量越大，造成的“熱區”問題。故本文利用非均勻分簇的思想，越靠近匯聚節點簇的規模越小，來解決“熱區”問題，平衡整個網絡的負載，提高網絡的生存時間達到增加網絡壽命的目的。

五、仿真與分析

本文通過對LEACH協議和改進的L-P協議進行了仿真和比較。主要從丟包率和生存節點個數這兩個方面分析，說明該進的協議的優勢。

六、結論

丟包率和存活節點數是衡量無線傳感器網絡可靠性和網絡生命周期的重要指標。L-P協議在這兩方面都要優越于LEACH協議，改進后的簇首選擇機制，非均勻成簇方式和簇間通信機制的確提高了網絡和協議可靠性，延長了網絡生命周期。由此可見，改進后的L-P協議更適應帶狀網絡的無線通信應用。

參考文獻：

[1]任豐源，黃海寧，林闖，無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003，14(7):1278-1291.

[2]李成法，陳貴海，葉懋，吳杰.一種基于非均勻分簇的無線傳感器網絡路由協議[J].軟件學報，2007，30(1):27-36．

[3]劉園莉，李臘元，盧迪.節能的無線傳感器網絡分簇路由協議的研究[J].傳感器技術學報，2010，23(12):24-129．