基于能量收集技術的無線傳感網絡路由協議分析仿真

張俊超　柯峰

摘 要：本文將無線傳感網絡的能量采集模型進行綜述，并對無線傳感網絡的兩種路由協議進行仿真與比較，LEACH路由協議和HEED路由協議進行分析比較，HEED協議是基于LEACH協議的一種改進協議。LEACH協議沒有能量意識，HEED在簇頭選舉階段引入能量因素，節點生存周期明顯有所延長。

關鍵詞：無線傳感網絡；能量采集模型；LEACH協議；HEED協議

1 引言

無線傳感網絡（Wireless Sensor Network）是一種基于無線通信的字組織網絡，網絡自身的數據傳遞采用多跳通信。微型傳感器節點協作感知，收集和處理網絡檢測區的數據，并將數據發送給基站。其具有低功耗，低成本，分布式工作，有自組織能力等優點。

傳統WSN節點采用普通電池供電，電池的壽命決定了WSN的生命周期。WSN的能量采集成為了目前制約WSN大規模使用的最大因素。目前主要采用的工作模式為采取地占空比的周期性工作方式。占空比越低，節能越顯著。但節能與延時等性能之間的矛盾越尖銳。對于具有環境采能的WSN，結合節點能量采集技術來研究具有能量與采集感知的WSN的分簇路由問題，將會取得更好得能效和收益。

2 能量采集模型

目前能量收集技術已逐漸成熟，使無線傳感器網絡節點能夠從環境中收集能量。其中，最常用的有太陽能電池技術。

3 路由協議

3.1 LEACH路由協議

Leach是一種典型的分簇路由協議算法。它在每輪分簇中生成的cutout分布式隨機的。主要過程如下：節點產生一個0～1之間的隨機數，如果隨機數小于閾值T（n），則向其它節點發布自己的簇頭的信息。如果該節點已經當選過簇頭，則需把閾值設為0，則此節點就不會再當選為簇頭。對于為當選過簇頭的節點，則以T（n）來決定是否當選。隨著當選過簇頭的節點數的增加，剩余節點當選簇頭的閾值隨之增大，節點當選簇頭的概率增大。極端情況，當只剩一個節點為當選是，T（n）=1，表示這個節點一定當選。

T（n）的公式為：

其中，P是簇頭在所有節點中所占百分比，r是選舉輪數， 代表這一輪循環中當選過簇頭的節點個數。G是這一輪循環中未當選過簇頭的節點集合。節點當選簇頭之后，即將自己當選新簇頭的消息發布給其它節點。非簇頭節點根據自己與簇頭之間的距離來選擇加入最近的簇，并告知該簇頭。當簇頭收到所有的加入信息后，就產生一個TDMA定時信息，并且通知該簇中所有節點。為了避免附近簇的信號干擾，簇頭可以決定本組中的節點所用的CDMA編碼。

3.2 HEED路由協議

LEACH協議有效運行需要前提條件：一直成簇初期，所有節點當前能量相等；二是簇形成后，消耗大致相同的能量。首輪選舉簇頭是，條件一可以得到滿足，但在能量收集的模型后，之后的每一輪都飽含有有能量采集技術得到的非均勻分布的能量。條件二也因能量收集技術而無法得到滿足。因此需要設計具有能量意識的路由。

LEACH提供了一個有效的分布算法，但未考慮簇規模的隨機性及能量收集導致的剩余能量不同，每個節點剩余能量完全相同的假設會導致能量很低的節點以不可忽略的概率當選簇頭，從而導致過早死亡。HEED協議在簇頭選舉階段引入能量因素，將閾值T（n）修改為：

其中，為節點剩余能量決定的閾值自適應調整參數。

其中，En_int為節點的初始能量，En_current為節點的當前能量。

4 LEACH協議與HEED協議的仿真對比

仿真過程中假定節點隨機分布在100m*100m的區域內，區域內具有太陽能能量采集裝置，節點分布如圖。匯聚點位于（-5m，-5m）的位置。

隨著時間的推移，傳感器節點間的能量逐漸分布不均，并且出現了某些傳感器節點的量耗盡的情況，此時，簇首節點的選擇也根據不同協議進行不同的選擇過程。

LEACH協議并無能量意識，因此在具有能量收集的無線傳感器網絡中，其節點生存周期較短。HEED協議具有能量意識，因此在具有能量收集的無線傳感器網絡中，其節點生存周期較長。由于現有能量收集技術尚未成熟，具有能量意識的HEED并不能特別明顯地延長網絡的生存周期。但隨著對能量采集技術的深入研究，具有能量意識的路由協議的優勢將會更加明顯得顯現。

5 結論

由于LEACH假定在最初的簇頭選擇回合中，所有的節點都攜帶相同的能量，并且每個成為簇頭的節點都消耗大致相同的能量。因此，協議不適合節點能量不均衡的網絡。而為了實現節電壽命的延長，通常需要引入能量采集模型，各個節電的能量無法滿足均衡的條件，因此使用LEACH協議會使節電的壽命縮短。HEED協議依賴節電的剩余能量，具有較高剩余能量的節點成為簇頭的概率較高，算法收斂速度也較快，相對LEACH協議性能明顯更優。但為了形成最優的路由協議，需要對能量到達采集模型進行深入研究，才能根據能量剩余來確定簇頭，優化無線傳感網絡。