基于森林監控的無線傳感網的路由算法研究

唐春玲

摘要：森林防火是森林保護的重中之重，無線傳感網技術的發展為森林關鍵氣象因子的實時監測提供了先進的技術手段。在使用無線傳感網進行森林環境因子采集過程中，針對無線傳感網LEACH協議中簇頭節點能量消耗過快的缺陷，提出一種基于節點和鄰居節點剩余能量產生簇頭的路由算法，避免簇頭節點能量消耗過快的問題。仿真實驗表明，本算法在降低網絡能耗，延長網絡生存周期上與LEACH協議比，具有更好的性能。

關鍵詞：無線傳感網;LEACH協議;簇頭

中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0030-02

森林資源是自然資源的重要組成部分，極易受到自然因素和人為因素的破壞造成重大損失。森林火災是造成森林資源破壞的一大自然災害，其突發性強、破壞性大且撲救工作十分困難。利用現代先進科學技術對森林進行檢測，是保護森林資源十分重要的一個措施。無線傳感網（Wireless Sensor Network，WSN）是隨著無線通信技術、嵌入式計算技術、傳感器技術和網絡技術的發展出現的一種新型的數據監控網絡[1]。無線傳感網最初主要應用于軍事領域，后來隨著技術的進步和經濟的發展，無線傳感網應用于民用，主要用于城市交通管理、家庭保健、環境監測、遠程控制等許多領域[2]。不同于傳統網絡，WSN是由大量體積小、成本低、具有一定通信和計算能力的傳感器組成，其最大的優勢是成本低、自組織。無線傳感網絡采用電池供電，其能量、通訊距離、計算和存儲能力有限，因此如何設計高效的路由協議使得在保證數據傳輸質量的情況下盡可能減少能耗，延長網絡生命周期成為國內外學者研究的熱點[3]。

在無線傳感器網絡中，LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy protocol，LEACH protocol）協議是第一個基于多簇結構的層次路由協議，其后很多層次協議，如TEEN、PEGASIS等都是在其基礎上發展起來的，也是應用較廣泛較成熟的一種無線傳感器路由協議。它的基本思想是通過將網絡劃分為大小均等的簇，在每輪次開始時隨機選擇簇頭，使無線傳感網的能量損耗均勻分撥到每個傳感器節點中，從而達到降低曾哥網絡能量消耗，提高網絡生存周期的目的。但是，LEACH沒有考慮能耗均衡問題，隨機簇頭的選擇可能造成網絡間節點能量消耗不均，從而縮短整個網絡的生存周期[4]。文獻[5]LEACH提出了第一個基于均勻分簇的路由算法，每輪隨機選擇簇頭，部分確保能耗均衡，但未能有效展開數據聚合。文獻[6]提出的HEED算法為了均衡簇間能量消耗，選出更加分布均勻的簇頭，在簇頭選擇中優化了節點剩余能量，并根據主從關系形成了多個約束條件共同作用于簇頭的選擇，但沒有考慮簇內節點的平均剩余能量。文本文在分析現有分簇路由協議特點和不足的基礎上，提出了一種基于森林監控的無線傳感網的路由算法。

1 網絡模型

根據森林檢測工作的實際情況，監控點（基站）通常設置在森林中交通、水、電相對便利的山路旁，傳感器節點通常在基站的一側。因此假定網絡及節點具有如下特征：

（1）網絡中為高密度非均勻分布的靜態網絡，傳感器節點部署后位置不再移動，每個節點具有唯一的網絡標識ID，可獲知自己的位置，且所有節點時間同步。（2）所有節點具有一定的初始能量，能量不可補充，能感知自己的剩余能量，具備數據融合功能，各節點獨立工作，不受其他節點的影響。（3）節點無線發射功率可控，即節點可以根據接收者距離的遠近調整其發射功率，也可根據接收信號的強度計算發送者到自己的近似距離。（4）基站位于正方形無線傳感網正上方Hm處，基站能量無限大。

基站附近的簇頭節點除了收集信息外，往往還要大量轉發的其余簇頭節點發送的數據，能耗較大，為確保全網能耗均衡，首先對全網進行非均勻劃片，離基站越遠的子區域，面積越大，以減輕基站附近節點的數據轉發任務。令N個無線傳感器節點隨機分布在邊長為Lm的正方形區域中，將區域劃分為M1×M2個子區域，靠近基站的子區域寬度和高度最小，遠離基站的子區域寬和高逐漸遞增。

能耗模型：根據傳輸距離d的不同，傳輸kbit信息時，發送能耗為：

ET（k，d）=ET-elec（k）+ET-trans（k，d）=? （1）

接受能耗為：

ER（k）=ER-elec（k）=kEelec? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中

ET-elec（k）=ER-elec（k）=kEelec? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

（4）

其中εfs和εmp是自由空間模型和多路衰減模型的信號衰減因子。kEelec是發送和接收kbit數據的消耗能量。本文僅計算通信能耗，忽略節點在計算和存儲等過程中的能耗。

2 算法描述

2.1 網絡區域初劃分

將網絡劃分為寬度和高度均不相等的若干子區域，高度按照距離基站距離由近到遠等比增加的原則，寬度按照以基站橫坐標為中心子區域的中心，左右兩邊子區域的寬度均等比增加且對稱。基站附近的簇頭節點往往要擔負起轉發其余簇頭節點數據的任務，節點耗能過多容易過早死亡，因此令遠離基站的子區域面積越大，以減輕基站附近節點的數據轉發任務。

2.2 簇頭選舉和成簇

同一子區域選取兩個簇頭分別為主次簇頭。考慮到LEACH中簇頭競爭存在的不足，將同一子區域節點的剩余能量和鄰居節點的平均剩余能量的比值作為重要參數參與簇頭節點的競爭。首輪選舉距離子區域中心最近的節點為主、次簇頭。首輪數據收集完成后，各節點的剩余能量將不同。此時定義節點參與簇頭競爭參數s，令：

s（n）=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

當節點n的剩余能量大于其鄰居節點的平均能量時，根據其剩余能量和其當選過簇頭的輪數計算其簇頭競爭參數。其中，α、β為常系數，Ecurrent為節點n當前能量，Eave為鄰居節點的平均能量，M為已當選過簇頭的輪數。當節點n的剩余能量小于其鄰居節點的平均能量時，此節點不參與簇頭競爭，其競爭參數為0。每個子區域按照其節點簇頭競爭參數按照從大到小進行排序，s值最大的兩個節點為主次簇頭。主簇頭負責數據收集和融合，次簇頭負責數據的轉發。若下一輪簇頭與本輪簇頭是同一節點，則無需廣播。如果主、次簇頭至少有一個需要更新，則需在整個子區域進行廣播。則其余節點收到簇頭的廣播，根據距離主簇頭的遠近，選擇加入到某一簇頭中，簇頭收集完節點后不直接發送給基站而是選擇下一跳簇頭節點轉發數據。

3 仿真及結果分析

為了驗證算法的性能，在MATLAB環境下建立無線傳感器網絡仿真環境。將100個傳感器節點隨機分布在100m×100m區域里，基站位于（50，150）處，采樣周期是10s。所有節點布置好后不再移動。在不考慮外界破壞因素的前提下，當節點能量為零時，該節點失效，同時第一個節點死亡時間為網絡生存期。將文中所提方法D_LEACH、LEACH和HEED進行比較，采用網絡生存期和網絡中的能量消耗作為研究重點進行試驗仿真。參數設置如表1所示。

網絡生存周期仿真如圖1所示。從表中可看出，文中所提方法能量消耗最低，網絡生存期得到了明顯的延長。

4 結語

無線傳感網中，不同的應用對網絡的要求有很大的差異性，需要設計針對于該應用合理的路由協議。在室外森林監控大型無線傳感網中，分簇算法需要進行多跳路由，LEACH協議采用的單跳路由不適合此種情景。本文設計了在室外森林監控無線傳感網中適合大規模無線傳感網的路由設計方法。此方法在選取簇頭時充分考慮了節點和其鄰居節點剩余能量，對剩余能量低于鄰居平均剩余能量的節點進行保護，避免其成為熱點，延長整個網絡的生存周期。同時在簇頭的選舉過程中，選取主簇頭和備用簇頭雙簇頭的方式，雙簇頭分工協作，也增強了整個網絡的效率和健壯性。同時不均勻劃分網絡，令原理基站的子區域面積越大，對基站附近的簇頭進行保護，避免其由于臨近基站不僅擔任匯聚本區域節點能量還轉發距離稍遠子區域的簇頭數據，使網絡中的能耗更加均衡。仿真結果表明本方法均衡了網絡中各節點的能量消耗，延長了網絡的生存周期。

參考文獻

[1] 杜海韜，李強，丁廣太，王營冠，朱磊基.WSN中基于鏈路質量和節點能量的AODV路由算法研究[J].傳感技術學報，2016，29（7）：1042-1049.

[2] 鄭志蘊，郭芳，王振飛，張行進，王飛.基于梯度和能量捕獲的無線傳感網路由協議研究[J].計算機科學，2017，44（09）：115-119.

[3] 彭蕾，呂敬祥，劉秋平.大規模無線傳感網絡的混合LEACH協議研究[J].傳感技術學報，2016，29（11），1737-1741.

[4] 胡彧，王靜.基于蟻群算法的LEACH協議研究[J].傳感技術學報，2011，24（05），747-751.

[5] HEINZELMAN W R，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.Energy-Efficient communication protocol for wireless microsensor nerworks[C]//Proc. of the 33rd Hawaii IntIConf.on System Science（HICSS 2000）.2000：3005-3014.

[6] Wu T，KUANG X H，FU Z L.Analysisi and Suggestion of the Heartbleed[J].National Defense Science & Technology，2014，35（5）：27-30.

Research on Routing Algorithms of Wireless Sensor Networks Based

on Forest Monitoring

TANG? Chun-ling

（College of Electronic Information Engineering，Chongqing technology and Business Institute，Chongqing? 400052）

Abstract：Forest fire prevention is the most important part in forest protection. The development of wireless sensor network technology provides advanced technical means for monitoring forest environment factor. In the process of collecting forest environmental factors using wireless sensor networks， the energy consumption of cluster head nodes is too fast， in LEACH protocol in wireless sensor networks. This paper proposes a routing algorithm based on the remainder energy of nodes and neighbors to generate cluster heads， which avoids the problem of excessive energy consumption of cluster heads. The simulation results show that this algorithm has better performance than LEACH protocol in reducing network energy consumption and prolonging network lifetime.

Key words：wireless sensor network;LEACH protocol; cluster head