一種基于接收信號強度的多跳分簇路由協議

徐鳴 施偉斌·

摘 要：為了延長傳感器網絡生存時間，多跳路由協議一直是無線傳感器領域的研究熱點。其中多跳分簇的路由協議（MHLEACH） 不僅能擴展通信范圍，還可以均衡分配節點能耗，從而有效提高了能量利用率。但該方法存在的問題是若選中的簇首距離基站太遠，則會耗費較多能量。同時，簇群鏈路分布的不均勻也可能使一些靠近基站的簇首更頻繁地轉發數據。為解決該問題，提出一種改進算法RSSI-Mean-Filter-MHLEACH（簡稱RMF-MHLEACH），該算法能對接收路由消息時獲得的鄰居節點信號強度與鄰居表內節點剩余能量信息進行比較分析，最后找出最優的上層轉發節點，從而使各節點在保證通信質量的同時，也能合理分擔簇首的能量消耗。

關鍵詞：無線傳感器網絡;路由協議; Multihop-LEACH;簇首競爭;中值濾波;接收信號強度指示

DOI：10. 11907/rjdk. 181715

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0174-04

Abstract： In order to prolong the survival time for the sensor network， the multi-hop routing protocol has been the hotspot for wireless sensor researches. Among them， Multi-hop LEACH（MHLEACH） routing protocol can conserve extra expedition in RF power and use energy efficiently by forwarding data to base station through muti-hop measure. Although the advantage of this algorithm is that it can reduce energy expenditure， the selected cluster head can be too far from the base station， which will consume extra energy. Meanwhile， the uneven distribution of the cluster link may also cause some cluster heads near the base station to be more frequently called to forward data. In order to solve this issue， this paper presents an improved RMF-MHLEACH algorithm， which takes the advantage of the neighbor nodes RSSI and energy competition to ensure the quality of communication while appropriately allocating the energy consumption on cluster head.

0 引言

無線傳感器網絡（WSNs）是由大量傳感器節點形成的分布式、具有自組織能力的低成本網絡系統。WSNs能夠替代人工作業在惡劣環境下工作，因此在工業自動化、次生災害預防以及農業環境檢測等領域都得到了廣泛應用[1]。

然而，單個無線傳感器的節點能量是有限的，WSNs能量消耗模型[2]已指出射頻發送數據是消耗無線傳感器節點能量的主要原因。因此，研究人員為盡可能延長網絡生存時間，提出相關協議與算法。如Muhamnmad Omer Farooq等[3]提出的MR-LEACH路由算法，其令基站確定上層與下層簇首的多跳拓撲關系，但基站必須獲取全局網絡信息;Ashlyn Antoo等[4]提出通過計算并傳輸通信代價矩陣選擇多跳路徑的EEM-LEACH路由算法，但增加了計算需求與通信負載;黃廷輝等[5]提出基于非均勻分簇的無線傳感器網絡分層路由協議（HRPNC），其通過分層機制及競爭機制選取簇首;Amira Ben Ammar等[6]提出適用于節點大范圍部署的MH-LEACH based on Cross-layer路由算法，從而分析信噪比，判斷多跳路由鏈路的健壯性，但增加了網絡監聽時間;樊思煒[7]提出一種HCEEC路由協議，雖然該協議能根據能量和簇首與基站的相對位置動態選取多跳路徑，但每輪建立簇群時，簇首們都要獲取其自身到基站的相對位置，從而導致能量浪費。

最具代表性的多跳分簇路由則是Fan Xiangning[8]提出的多跳低功耗自適應分簇路由MHLEACH（Multihop-LEACH）協議，其引入了簇間路由與數據融合的操作，該方法能夠有效減少必要數據的發送，從而提升節點能量利用率，所以多跳分簇自適應路由協議已被證明是一種更有效的路由工作方式。但是MH-LEACH路由算法并不能選擇擁有最小通信代價的路徑，即便找到了最小通信代價路徑，靠近基站的簇頭節點也會由于頻繁被下層節點要求通信而導致過早消亡。

因此，本文通過改進MHLEACH提出一種基于RSSI[9]劃分簇群，并輔以節點能量數據交換判斷理想轉發簇首的多跳低功耗分簇路由協議RMF-MHLEACH。

1 RMF-MHLEACH協議

RMF-MHLEACH是改進自Multihop-LEACH的路由算法，而MHLEACH協議是基于LEACH[10]（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）路由協議所擴展的方案。本節首先簡述LEACH路由協議。

1.1 LEACH協議簡述

經典LEACH協議提出一種“輪簇”概念，其每輪都由兩個階段組成：簇建立階段與穩定階段。在簇建立階段，節點之間會自適應地推舉簇首節點并規劃簇群;在穩定工作階段，節點則負責傳送數據。LEACH輪簇過程如圖1所示。

式中，[r]是當前所處的輪數，[P]是當前輪期望出現簇首的分布率，而[G]代表還未當過簇首的集合。

在建立階段，當節點n通過隨機數發生器產生的數小于等于[T（n）]時，節點[n]則會被選舉為簇首。簇首節點會廣播告知自己的網絡ID，等待鄰居節點加入該網絡簇群的請求Join-REQ幀，然后用TDMA[11]的方式給鄰居節點分配時隙表，至此簇首建立階段結束。穩定階段，簇群中的鄰居節點根據建立階段時的TDMA時間表給簇首發送數據。

1.2 Multi-hop LEACH協議簡述

若所有簇首都無差別地與終端基站直接通信，則簇首保持遠距離通信會消耗更多功率。為解決該缺陷，可以允許簇首與簇首之間進行通信，以多跳方式向靠近基站節點的簇首發送數據包，最終抵達終端基站。

這種采用多跳方式的LEACH路由算法在簇內組網過程中與LEACH路由協議基本相同，但是簇首并不與基站直接通信，而是利用簇首到簇首以及簇首到基站節點鏈路估計的優劣結果，選擇一條到基站節點的合適的轉發路徑進行多跳數據轉發[12]。

1.3 RMF-MHLEACH算法描述

RMF-MHLEACH（RSSI-Means-Multi-hop）路由協議在MH-LEACH基礎上根據鄰居節點的信號強度指示[RSSI]進行局部節點篩選。根據無線電在自由空間的損耗理論[13]可知，對等節點之間的距離與RSSI值的關系[14]滿足式（2）。

式中，A代表距離發射節點1 m 處的[RSSI]值，d是無線傳感器之間的相對距離，[Xσ]是服從高斯隨機分布的衰減因子，表示空間白噪聲對理想信號的干擾。

在簇群建立階段，網絡中候選簇首的選擇依然延用經典LEACH的簇首選擇公式（1）。

簇群內簇首競爭半徑[15]的計算則需要收集鄰居節點強度，然后進行一維中值濾波處理，其數學表達式如下：

假設此時得到的[SMRSSI（i）]是收到的[n]個有序鄰居節點信號強度的樣本集合，分析可知，鏈路質量與[RSSI]有關，因此求[n]個節點中的上四分位數[Q3]作為選取競爭半徑的參量。在樣本集[SMRSSI（i）]中，取其不低于[Q3]的樣本作為計算候選簇首節點[i]競爭半徑[Rc（i）]的參量，其數學表達式為：

其中，[quantile]是選取樣本分位點的分位函數[16]，[distance]是根據式（2）中距離與信號強度關系式所推導的反函數。在計算了競爭半徑[Rc（i）]的候選簇首后，還需要與[Rc]半徑內的其它鄰居節點[i+1，？，i+v]進行能量比較，以確保能選到能量[E]較多的節點作為簇首，其最終選舉的簇首也必須滿足如下能量公式：

該公式的意義是選取由[Rc]所劃分簇群[G]內能量最大的節點成員[i]作為最終簇首。

2 仿真分析

本文采用Matlab軟件對RMF-MHLEACH算法進行仿真，在大小為100m2的監測區域空間內隨機分布100個對等節點，固定基站（BS）位置在（50，100），并制定網絡運行???? 1 000輪。首先，通過RMF-MHLEACH分層算法模擬出簇首交替過程;然后將RMF-MHLEACH算法與LEACH及MHLEACH協議進行性能比較，從節點存活個數、節點平均剩余能量，以及整個網絡中節點的數據傳輸量等方面進行考慮，評估改進算法性能;最后，通過與MH-LEACH 協議的時效性進行對比，評估改進算法效率。對比仿真相關參數定義如表1所示。

2.1 網絡生存時間

在無線傳感器網絡中，第一個死亡節點出現的所在輪數可以衡量采用一個路由協議時的網絡生存時間。

圖4描述了在3種不同分簇路由算法下，網絡幸存節點數量隨輪數的變化情況。

可以看出，與MHLEACH協議相比，采用RMF-MHLEACH路由算法時，雖然第一個死亡節點出現時間稍早，但在長時間表現下，RMF-MHLEACH路由協議能比MHLEACH協議保活更多可用節點。由此說明，相比于MHLEACH協議，采用RMF-MHLEACH協議能夠延長網絡整體平均生存時間。

由表2可以看出，在RMF-MHLEACH協議的網絡下，死亡節點的出現較為平緩。雖然RMF-MHLEACH在前200輪會比其它兩個協議提早死亡2～3個節點，但是從長遠看，RMF-MHLEACH能比MHLEACH工作更長時間。

2.2 能量消耗

每輪中平均節點剩余能量可以評估WSN網絡中節點能量的消耗速度。

2.3 數據包到達數

分簇路由中，數據包到達數是評估簇首轉發數據量改善程度的主要參數之一。由于采用多跳分簇路由機制，簇首與基站是匯聚數據包的主要節點，統計到達簇首與基站的數據包即是統計簇首與基站收到的數據量。

在對等仿真環境下，簇首收到的總數據量反映了當前分簇下的數據承載量，以及作為轉發節點時的數據吞吐量。因此，分析對比簇首收到的數據量是評估網絡效率的指標之一。

通過對比MHLEACH與RMF-MHLEACH中簇首每百輪收到的數據量柱狀圖，可以看出前500輪中MHLEACH簇首的數據接收量顯然比RMF-LEACH大得多，而后500輪簇首接收的數據量迅速遞減，并且低于RMF-MHLEACH簇首接收的數據量，表明RMF-MHLEACH算法在抑制數據負載方面優于MHLEACH算法。

3 結語

本文改進了多跳低功耗自適應分簇路由協議，提出一種在初始階段根據節點信號強度劃分簇群的方法。在初始階段選取簇首所在簇群后，簇內節點輪換選舉為下一輪簇首，使簇內均勻分配收發的數據量，以平均分配網絡中節點的能量消耗。由上文分析可知，RMF-MHLEACH有良好的節能效果，在MHLEACH基礎上延長了9%的網絡生存時間。另外需注意的是，根據網絡變化（加入或撤出節點）的快慢，應適當縮短或放寬聚類成簇時的換輪時間間隔，該項工作將在未來研究中作進一步探討。

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（責任編輯：黃 健）