LEACH協(xié)議大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通信改進(jìn)研究

陳晨+楊紅麗

摘要：LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里最經(jīng)典的分簇路由協(xié)議，它的“分簇”思想被廣泛應(yīng)用，但是它只能是小規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，比如100×100的區(qū)域。提出一種基于LEACH路由協(xié)議的新協(xié)議LEACH-LS（low energy adaptive clustering hierarchy-LargeScale），可應(yīng)用于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。用MATLAB工具進(jìn)行仿真，結(jié)果表明新協(xié)議在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用很好。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； LEACH； LEACH-LargeScale

DOIDOI：10.11907/rjdk.171151

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0171-03

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是當(dāng)今備受關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，它將傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過許多集成的微型傳感器進(jìn)行監(jiān)控和信息采集，通過無線廣播方式將信息發(fā)送到目的地。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用廣泛，如國(guó)防軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、急救、搶險(xiǎn)救災(zāi)、反恐等重要領(lǐng)域，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界高度重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具影響力的技術(shù)之一[1-3]。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究主要是在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。路由協(xié)議屬于網(wǎng)絡(luò)層，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一[4]。

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）路由協(xié)議是最經(jīng)典的分層路由協(xié)議。LEACH路由協(xié)議把節(jié)點(diǎn)分為簇頭節(jié)點(diǎn)和簇員節(jié)點(diǎn)。簇員節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)把簇員節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息和采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，然后簇頭節(jié)點(diǎn)直接把融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。LEACH協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，去除了冗余的數(shù)據(jù)信息，從而節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的剩余能量。隨機(jī)產(chǎn)生的簇頭節(jié)點(diǎn)使所有傳感器節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)能量消耗，避免了某些節(jié)點(diǎn)過快死亡。

但LEACH路由協(xié)議局限性很大。由于LEACH協(xié)議規(guī)定所有傳感器節(jié)點(diǎn)都能與基站直接通信，且傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，所以它只能應(yīng)用在小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不適用于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了新協(xié)議LEACH-LS，LEACH-LS協(xié)議不僅擁有LEACH協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，還能應(yīng)用在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)里，使傳感器節(jié)點(diǎn)能在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1 LEACH協(xié)議

1.1 LEACH協(xié)議介紹

WSNs路由協(xié)議有平面型和層次型兩種[5]。LEACH協(xié)議是一種經(jīng)典的分層路由協(xié)議，它把傳感器網(wǎng)絡(luò)分為兩層，基站只和簇頭節(jié)點(diǎn)通信。LEACH協(xié)議與一般的平面型路由協(xié)議相比可提高15%的網(wǎng)絡(luò)壽命。由于LEACH協(xié)議隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，從而使所有傳感器節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)能量消耗。LEACH 協(xié)議的基本單位是“輪”，它由很多輪組成。一輪由建簇和數(shù)據(jù)收集兩個(gè)階段組成。為了避免由于建簇造成過多能量消耗，數(shù)據(jù)收集階段時(shí)間一般較長(zhǎng)[4-5]。

LEACH協(xié)議的前提條件是：①基站位置固定；②所有傳感器節(jié)點(diǎn)有自己的唯一ID標(biāo)位置，一旦固定就不能改變；③所有傳感器節(jié)點(diǎn)都能和基站直接通信，并且能量有限，能量一旦耗盡就不能補(bǔ)充；④傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離有限。

每輪開始時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開始建簇。所有傳感器節(jié)點(diǎn)都生成一個(gè)（0，1）的隨機(jī)數(shù)。若某節(jié)點(diǎn)生成的隨機(jī)數(shù)小于閾值T（n）則成為簇頭節(jié)點(diǎn)，然后該節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)。未成為簇頭的節(jié)點(diǎn)尋找信號(hào)最強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)并申請(qǐng)成為它的簇員節(jié)點(diǎn)，最終傳感器網(wǎng)絡(luò)生成了很多簇群，每個(gè)簇群里有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和若干簇員節(jié)點(diǎn)。最后簇頭節(jié)點(diǎn)為每個(gè)簇員節(jié)點(diǎn)分配TDMA信道，每個(gè)簇員節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)間段給簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息。如果節(jié)點(diǎn)沒有在本循環(huán)內(nèi)當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，閾值T（n）公式是 T（n）=p/[1-p*（r mod（1/p））]；如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在本循環(huán)內(nèi)當(dāng)選過簇頭節(jié)點(diǎn)，閾值T（n）公式是T（n）=0。p是簇頭節(jié)點(diǎn)在所有節(jié)點(diǎn)中的比重，r是當(dāng)前輪數(shù)減1，1/p 輪是一個(gè)循環(huán)。

建簇完成后即進(jìn)入數(shù)據(jù)收集階段。所有簇員節(jié)點(diǎn)把收集到的數(shù)據(jù)在自己的信道時(shí)間內(nèi)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)收到所有簇員節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，融合完成后把融合數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站。數(shù)據(jù)收集持續(xù)一段時(shí)間后再重新建簇，如此循環(huán)。不同的簇采用不同的CDMA碼通信從而減少其它簇的干擾[4，6-7]。

1.2 LEACH協(xié)議的局限性

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，而LEACH協(xié)議要求所有傳感器節(jié)點(diǎn)直接和基站通信。因此，LEACH協(xié)議只適用于規(guī)模較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不能應(yīng)用在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中。

2 LEACH-LS協(xié)議

針對(duì)LEACH路由協(xié)議不能應(yīng)用在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足，本文提出了LEACH-LS協(xié)議。LEACH-LS協(xié)議與LEACH協(xié)議類似，也是由建簇階段和數(shù)據(jù)收集階段兩部分組成，下面詳細(xì)介紹LEACH-LS協(xié)議。

在一個(gè)大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里，基站位于中間位置。所有傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身位置推出與基站的距離（假設(shè)所有傳感器節(jié)點(diǎn)都知道自己的位置和基站的位置[9]），傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身與基站的距離標(biāo)記序號(hào)。標(biāo)號(hào)以80m為單位，比如距離大于0小于80的為1號(hào)，大于80小于160的為2號(hào)，以此類推。之所以選80m為單位，是因?yàn)槿绻麄鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的通信距離超過87m就是遠(yuǎn)距離發(fā)射，能耗會(huì)大大增加[8]。

（1）建簇階段。LEACH-LS協(xié)議的建簇階段和LEACH協(xié)議類似。每輪開始時(shí)，除了標(biāo)號(hào)為1的節(jié)點(diǎn)外，所有傳感器節(jié)點(diǎn)都生成一個(gè)大于0且小于1的隨機(jī)數(shù)，生成的隨機(jī)數(shù)與閾值T（n）比較大小，閾值T（n）與LEACH協(xié)議的T（n）相同。未成為簇頭的傳感器節(jié)點(diǎn)選擇距離自己最近的節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)。標(biāo)號(hào)為1的傳感器節(jié)點(diǎn)不選擇簇頭節(jié)點(diǎn)也不競(jìng)選簇頭節(jié)點(diǎn)，而是直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。

（2）數(shù)據(jù)收集階段。簇頭節(jié)點(diǎn)接收到所有簇員節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，與收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后把融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給比自己標(biāo)號(hào)小1且距離最近的簇頭節(jié)點(diǎn)。比如某簇頭節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)是4，那么它把本簇的數(shù)據(jù)信息融合后發(fā)送給距離自己最近的3號(hào)簇頭節(jié)點(diǎn)，以此類推。標(biāo)號(hào)為2的簇頭節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送給距離自己最近的標(biāo)號(hào)為1的普通節(jié)點(diǎn)，所有標(biāo)號(hào)為1的普通節(jié)點(diǎn)都擔(dān)當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用。圖1是600×600的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)LEACH-LS協(xié)議演示。

其中，Etx（k，d）表示傳感器節(jié)點(diǎn)向距離為d meter 的目的地發(fā)送k bit數(shù)據(jù)時(shí)的能量消耗，Erx（k）表示節(jié)點(diǎn)接收k bit數(shù)據(jù)的能量消耗，Eelec表示電路的消耗系數(shù)，εfs和εamp分別為近距離和遠(yuǎn)距離發(fā)射放大器能耗參數(shù)，d是源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，d0是臨界值。

LEACH-LS協(xié)議的仿真環(huán)境是2 000個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在600×600的區(qū)域內(nèi)，基站位于（300，300）的中間位置，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的最遠(yuǎn)距離是180m。一個(gè)數(shù)據(jù)包是4 000bit，一個(gè)控制包的大小為100bit，所有傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量是0.5J，簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合的能量消耗是5nJ/bit/message，Eelec為50nJ/bit，εfs為10pJ/bit/m2，εamp為0.0013pJ/bit/m4，d0是87m。簇頭節(jié)點(diǎn)的比例p是0.05[6]。按照節(jié)點(diǎn)與基站的距離大小，把所有傳感器節(jié)點(diǎn)分為1號(hào)（距離小于80m）、2號(hào)（距離大于80m且小于160m）、3號(hào)（距離大于160m小于240m）、4號(hào)（距離大于240m）。

LEACH協(xié)議的仿真環(huán)境是100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100×100的區(qū)域里，基站在（50，120）的位置，傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑是180m，其余的仿真環(huán)境和LEACH-LS一樣。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖2和圖3是LEACH協(xié)議在100×100區(qū)域里的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2顯示LEACH協(xié)議的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨輪數(shù)的增加而減少。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，LEACH協(xié)議的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡輪數(shù)是786輪，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的死亡輪數(shù)是1 175輪。從圖3可以得出，隨著輪數(shù)的增加，基站收集到的數(shù)據(jù)越來越多。直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)死亡時(shí)，基站收集到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)接近2×104個(gè)。然而，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，并且LEACH協(xié)議要求所有節(jié)點(diǎn)與基站直接通信，所以LEACH協(xié)議不能應(yīng)用在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)里。

圖4和圖5 是LEACH-LS在600×600區(qū)域里的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示LEACH-LS的第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)輪數(shù)是121輪，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的死亡輪數(shù)是139輪。圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著運(yùn)行輪數(shù)的增加，基站收集到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)越來越多。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)死亡時(shí)，基站收集到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)接近6×104個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LEACH-LS協(xié)議可以應(yīng)用在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里，LEACH-LS協(xié)議可以在600×600的區(qū)域里使傳感器節(jié)點(diǎn)正常向基站傳送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

對(duì)LEACH路由協(xié)議的研究發(fā)現(xiàn)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，LEACH協(xié)議不能應(yīng)用在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里。本文在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了新協(xié)議LEACH-LS。仿真實(shí)驗(yàn)表明LEACH-LS協(xié)議可以在600×600的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)里使傳感器節(jié)點(diǎn)正常收集和傳送數(shù)據(jù)。

雖然LEACH-LS可以運(yùn)用在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里，但它的生命周期較短，提高LEACH-LS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命是下一步要進(jìn)行的研究工作。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）