無線傳感器網絡節能路由協議研究

葉夢雄

(西安航空職業技術學院 計算機工程學院， 西安 710089)

0 引言

在LEACH中WSN路由協議屬于比較典型的分層路由協議，這種協議還存在選舉簇頭、分簇過多等缺陷，本文將會根據剩余能量和距離相關協議，對LEACH-EG協議算法進行改進[1-2]。首先分析剩余平均能量節點、最優簇頭數量，構建一個簇頭集合，選擇最高剩余能量節點，在根據相關算法，建立一個基站，實現多跳數據的傳輸[3-4]。對LEACH-EG協議進行完善，可以有效減少WSN能耗，同時延長WSN生存周期。

1 無線傳感器網絡和路由協議

1.1 無線傳感器網絡體系結構

一般WSN包括基站、終端節點、任務管理節點三個模塊，傳統的方式就是在檢測區進行節點傳感器部署，在無線網絡下實現通信，而且每個節點頭可以通過多跳方式將收集到的數據傳輸給基站，然后用戶在互聯網環境下，利用節點管理實現WSN的配置，對采集到的數據進行檢測和廣播[5-6]。如圖1所示。

(1)節點傳感器可以看做是嵌入式小型系統，該系統處理數據的能力比較差，進而造成通信和儲存數據的能力也比較差，節點是使用電池供電，而電池能力是有限的；在WSN中節點具有終端作用和CH作用，每個節點可以實現數據采集，同時也能傳輸數據，完成數據儲存、融合和處理，同時也能與其他節點合作。

圖1 無線傳感器網絡體系結構

(2)連接因特網和WSN的是基站，基站具有很強的通信和儲存能力，它可以對網絡和WSN之間的協議進行轉換，同時廣播檢測終端節點任務，之后將數據傳輸到外部網絡上。

(3)無線傳感網絡協議棧類似于互聯網協議棧，但是它還具有自身的特色。如圖2所示。

圖2 無線傳感器網路協議棧

該協議棧包括以下幾個部分：

① 數據鏈路層：具有媒體訪問、數據成幀、差錯控制等性能，每個功能都有自己的信道。

② 傳輸層：控制轉發數據，提高用戶獲取的信息質量，保證數據傳輸的安全和可靠性。

③ 移動管理平臺：注冊和實時檢測移動節點，實現實時維護匯聚節點、動態跟蹤傳感器周圍節點。

④ 網絡層：找到每個節點上的數據傳輸通道，同時保護路由通道，在傳輸數據中，避免該層路由協議出現沖突。

⑤ 任務管理平臺：對監測任務進行調度和平衡。

⑥ 物理層：負責傳輸信號，同時收發數據。一般比較常用的是Sensor Node，其價格比較低廉、體積小而且能耗低。

⑦ 應用層：主要是解決工作中遇到的問題，屬于基礎性應用。

⑧ 能量管理層：給傳感器節點提供能源使用的方法，同時考慮每個協議節能的方法。

1.2 路由協議

平面路由協議具有結構簡單、穩定性良好的特點，但是基站收到的無效數據非常多，同時應變網絡能力比較差。(1)Gossiping和Flooding協議是屬于比較典型的平面路由協議。Flooding協議可以收集該節點以及其周圍節點的數據，之后將數據廣播給周圍節點，一直傳到死亡節點為止。(2)PIN協議是在協調機制和資源管理中使用。每個節點會同資源管理進行協商，收集數據，之后給下一個節點轉發數據。(3)DD協議是一種定向傳播協議，它經過數據傳輸、興趣擴散、路徑增強等三個階段。(4)Runmor是一種謠傳路由，比較適合在數據量傳輸較少的WSN網絡中使用。

1.3 分簇路由協議

分簇路由協議比較典型的就是LEACH-C和LEACH協議。(1)LEACH協議是一種低功耗且自適應低的分簇路由協議，是WSN中非常重要的根基。LEACH使用輪循方法來選擇簇頭，這樣可以保證每個節點都能獲取CH傳輸來的數據，但是因為長期處于工作狀態的CH節點，耗能比較多，選擇輪循可以平衡每個節點傳感器負載情況，從增加網絡生存時間。(2)LEACH-C可以有效減少CH節點的能耗，但是LEACH無法自由選擇成為CH，而且形成的簇也會存在不均勻情況。

2 節點位置和剩余能量LEACH-EG路由協議

2.1 LEACH協議概述

LEACH協議及時網絡層次結構，它具有自適應、低耗能的分層絡協議。如果將整個WSN分成多個簇，在從每個簇中選擇節點傳感器作為簇頭，其他節點作為簇內節點，這種原理就是分簇路由協議[7-8]。在簇內的每個成員都可以給簇頭傳輸數據，簇頭接收到數據后，再將數據進行融合，之后將數據傳給基站，這樣可以看出產生的CH工作量比較大，進而造成的能耗也比較多。

2.2 改進的LEACH協議

對于LEACH協議來說典型的特征就是隨機性選擇簇頭，造成CH數量過多，產生能量浪費情況，如果CH較少，會造成部分簇頭節點消耗能量過快，造成節點死亡過早。簇分布比較中，距離比較遠的節點在傳輸數據時會浪費較多的資源。本文主要對LEACH協議簇頭位置和數量進行改進。

關于簇頭數量最優計算，這里使用接收數據和轉發數據公式進行節點計算，得到無線通信一階模型。為式(1)和式(2)。

(1)階段發送消耗的能量是：

(1)

(2)階段接收消耗能量是

Erx(i,j)=l×Eelec

(2)

(3)

(4)

在真個一輪中包括簇成員和CH等整個能耗是Ecluster，表示為式(5)。

(5)

也就說在WSN整個一輪K簇中能耗是如式(6)。

(6)

(7)

選擇公式(7)中各項參數就可以對WSN進行設置，從而得到最優的CH數量。

根據拓撲網絡結構，計算CH之間最小間距，對閾值T(n)進行優化實現競選CH如式(8)。

(8)

其中初始節點能量是E0，當前節點能量是Ecur，CH論述沒有連續表示；rs，rs重置為0，是在CH當選節點，這時沒有當選的節點CH會在連續1/p(p指經過的輪數)輪中成為CH概率。

2.3 LEACH協議簇頭改進位置

想要得到最優CH術，首先要分成Kopt個簇把WSN區，這時不限制基站衡量，而且提供提供較強的儲存和計算能力，滿足用戶的需求。在搭建完成整個WSN后，所有節點會將當前信息位置和能量信息傳給基站。其中有BS對Node信息進行匯總，在計算之后，按照面積將整個WSN評分分成Kopt個簇，之后BS會根據當前Node所在的簇和能量值，在多個節點簇中選擇簇頭，數據傳輸的途徑是從低能量向高能量，見一個基站在每個簇頭方向實現多跳傳輸方式。在當前相同能量位置，CID表示較小的CH接收同一級和低一級的簇頭信息，之后給高一級簇頭發送信息。之后，基站將所有的信息反饋給傳感器節點，節點接收信息后，會根據每個傳輸路徑進行數據傳輸，如圖3所示。

圖3 固定簇指示圖

(1)LEACH-EH是對LEACH進行加權改進的思想，明確概率權值Ti(t)′，根據隨機出現的概率閾值進行CH選舉，將固定簇中節點剩余能量和地理位置使用Ti(t)′進行劃分，之后使用Ti(t)′對簇頭節點進行篩選，這樣可以保證每個簇內都有相同空間距離，避免簇頭不合理分布情況，增加某些部分節點的能耗，造成節點死亡時間過早，是WSN不通暢，如式(9)。

其中：Ti(t)′=α*f(d)+(1-a)*f(e)

(9)

公式(9)是對節點i概率權值進行完善的方法，其中α表示因數權值，Ti(t)′可以對f(e) 和f(d)權重進行調整，f(d)是一個距離函數，它決定這節點的位置，而f(e)是函數能量，被節點生命狀態影響。不同的WSN，存在不同的α，如果WSN節點密度比較大，這時α會逐漸減少，這樣就可以增加節點剩余能量CH概率；在初始WSN階段，可以隨意對α值進行調整，調大α，在分促使可以減少剩余能量權重，便于分簇。

節點距離函數和競選簇頭關系，如式(10)。

(10)

結語：本分基于LEACH算法對路由協議進行改進，主要分析了簇頭數量最優，競選簇頭，節約LEACH能耗等，并提出了多跳傳輸在能量和位置上的LEACH-EG改進算法。

3 總結

本文基于LEACH算法對路由協議進行改進，主要分析了每個虛擬的網絡形成一個簇，并且選出一個簇頭，所有的簇頭形成了一個骨干，擔當路由查找和傳輸功能，利用網絡劃分網絡，一個優點就是每個節點能夠根據自己的坐標信息可以計算出自己的網絡編號，有利于分簇辨認。并且提出了多跳傳輸在能量和位置上的LEACH-EG改進算法。