無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通過飛機播撒部署在人跡罕至的地方進行環(huán)境監(jiān)測，或者部署在敵區(qū)。人們無法對節(jié)點進行電池更換。即使人類能進入的區(qū)域，對龐大數(shù)量的節(jié)點進行充電或者更換電池，也是一項非常艱巨的工作。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能問題成為研究無線傳感器網(wǎng)絡的熱點。為了有效地對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行管理，設計一種節(jié)能的路由協(xié)議迫在眉睫。
    典型的自組網(wǎng)(Ad_hoc)網(wǎng)絡的路由協(xié)議，沒有充分考慮到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量有限的特點，不再適用于無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡。國內(nèi)外針對無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡的特點設計的路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。其中典型的代表是層次路由協(xié)議中的LEACH協(xié)議。
1 LEACH算法
    LEACH協(xié)議分為簇頭建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。在簇頭建立階段，每個節(jié)點在第r輪，產(chǎn)生一個隨機數(shù)x,x∈[0,1]與閾值T(n)進行比較決定是否當選為簇頭。如果x≤T(n)，該節(jié)點在當前輪被選舉為簇頭；否則，該節(jié)點在該輪為非簇頭節(jié)點[1]。

其中，p為簇頭數(shù)在所有節(jié)點當中占的百分比；G為在最近1/p輪沒當選過簇頭的節(jié)點集合；在1/p-1輪后，T(n)=1，所有在最近1/p輪中沒有被當選過簇頭的節(jié)點均被當選為簇頭。當某一輪選舉完后，被當選為簇頭的節(jié)點以相同的能量采用載波偵聽多路訪問_介質(zhì)訪問控制CSMA_ MAC(Carrier Sense Multiple Access_Medium Access Control)協(xié)議的方式向周圍節(jié)點廣播。簇頭建立起來后，非簇頭節(jié)點根據(jù)感知到的信號強度決定要加入哪個簇。同時非簇頭節(jié)點采用CSMA_MAC方式通知要加入的簇頭。簇頭節(jié)點采用時分多址TDMA(Time Division Multiple Access)的方式為簇內(nèi)節(jié)點分配傳輸數(shù)據(jù)的時隙，避免簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)占用信道產(chǎn)生沖突。不同的簇采用碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)，以便區(qū)分不同簇發(fā)送的數(shù)據(jù)，避免簇間干擾[1]。
    LEACH協(xié)議采用“輪”的方式進行簇頭選舉，有利于負載均衡，延長了無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。LEACH協(xié)議仍然存在一些缺點需要改進:LEACH協(xié)議簇頭選舉時，由于選舉的簇頭是個隨機過程，容易產(chǎn)生累積誤差，造成選舉簇頭數(shù)目偏離期望的最佳值。由于簇頭選舉的隨機性，對于大規(guī)模網(wǎng)絡容易造成簇頭在場景中分布位置不合理，部分區(qū)域過密，部分區(qū)域過稀和邊緣分布，影響整個網(wǎng)絡的生命。簇頭節(jié)點和基站之間采用單跳傳輸，造成簇頭節(jié)點能耗大，容易過早死亡。簇頭選舉時沒有充分考慮到節(jié)點剩余能量和到基站的距離對均衡網(wǎng)絡負載的影響[1]。
2 E-LEACH算法理論分析
2.1 改進簇頭選舉算法
    LEACH協(xié)議中在一輪循環(huán)當中，每個節(jié)點按照概率分布充當1次簇頭，N/k-1次非簇頭。網(wǎng)絡運行一段時間后，節(jié)點能量不再相等。按照LEACH協(xié)議簇頭選舉算法，較低能量節(jié)點和較高能量節(jié)點具有相同的概率當選為簇頭。如果較低能量節(jié)點被當選為簇頭，則能量很快耗盡，節(jié)點很快死亡，不利于整個網(wǎng)絡的生存。改進算法考慮到剩余能量較高的節(jié)點具有較大概率成為簇頭，有利于延長網(wǎng)絡的生命周期。對閾值公式進行改進,如式(2)所示，其中Einit表示節(jié)點初始化能量，rs為該節(jié)點連續(xù)沒有被選為簇頭的輪數(shù);Eres為該節(jié)點當前剩余能量。當節(jié)點能量低于本區(qū)域內(nèi)節(jié)點平均能量時，該節(jié)點在本輪循環(huán)中不參加選舉簇頭。簇頭建立階段算法流程如圖1所示[2]。

2.2 簇頭節(jié)點多跳傳輸數(shù)據(jù)
    當一輪選舉結束且簇頭接收到簇內(nèi)成員數(shù)據(jù)后，簇頭之間建立傳輸數(shù)據(jù)的路由樹，通過路由方式把簇頭數(shù)據(jù)多跳轉發(fā)至基站[3]。當新的一輪簇頭選舉完成后，在開始發(fā)送數(shù)據(jù)到基站前，利用新當選的簇頭節(jié)點更新路由樹。在簇頭節(jié)點給下一跳節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的同時，下一跳節(jié)點接收簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生信道占用沖突。本方案中采用CSMA的方式解決數(shù)據(jù)沖突。
    采用LEACH協(xié)議中引入的無線通信能量傳播損耗模型,傳輸l bit數(shù)據(jù)到距離d處所消耗的能量如式(3)所示。接收l bit數(shù)據(jù)所需要的能量如式(4)所示[4，5]。

    從以上分析可以看出，在以AB為直徑的圓內(nèi)的簇頭節(jié)點作為中繼節(jié)點有利于減少數(shù)據(jù)傳輸過程的能量損耗。在多徑衰減模型當中，由于數(shù)據(jù)傳輸能量損耗正比于傳播距離的四次方，采用中繼更有利于節(jié)約傳輸數(shù)據(jù)能量?？紤]到中繼節(jié)點要進行數(shù)據(jù)轉發(fā)和數(shù)據(jù)融合,會消耗一部分能量。頻繁的中繼轉發(fā)會增加能量損耗，選取在如圖2所示的虛線圓(虛線圓的半徑R′=0.7R) 內(nèi)的簇頭節(jié)點作為中繼節(jié)點。如果中繼節(jié)點能量比較低，則會導致中繼節(jié)點能量衰竭的現(xiàn)象，在簇頭選舉階段，只有剩余能量大于平均能量的節(jié)點才能當選為簇頭。簇頭節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

3 仿真實驗
    本實驗在Linux radhat9系統(tǒng)下安裝的ns-allinone-2.27+MIT安裝包中的LEACH協(xié)議進行修改得到E-LEACH，增加findnexthop子函數(shù)實現(xiàn)尋找最佳下一跳路由，每搜尋一次下一跳路由消耗能量 $opt(nn_)*1e-9J($opt(nn_)為仿真區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù))；增加sendtoNextHop子函數(shù)，實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)到下一跳節(jié)點；增加 recvNeighbore子函數(shù)，實現(xiàn)為鄰居簇頭中繼數(shù)據(jù)?；疚恢迷O置在(50,175),其他參數(shù)采用LEACH協(xié)議默認的值。NS2仿真得到的數(shù)據(jù)采用Matlab進行繪圖分析。圖4為LEACH協(xié)議和E-LEACH協(xié)議生命周期比較圖。
    從圖4可以看出LEACH協(xié)議的第一節(jié)點死亡時間FND(First Node Dead)為410s,E-LEACH的FND為670 s， 相比之下E-LEACH提高率為63.41%。LEACH協(xié)議的半數(shù)節(jié)點死亡時間HND(Half Node Dead)為500 s, E-LEACH的HND為900 s， 相比之下E-LEACH提高率為80.00%。 LEACH協(xié)議的最后節(jié)點死亡時間LND(Last Node Dead)為551.7 s,E-LEACH的LND為1 040 s， 相比之下E-LEACH提高率為88.51%。圖5為兩種網(wǎng)絡協(xié)議基站接收到的數(shù)據(jù)包和生存節(jié)點個數(shù)關系比較圖，從圖5可以看出，E-LEACH在發(fā)送50 000個數(shù)據(jù)包時，存活節(jié)點數(shù)為100，而LEACH協(xié)議在發(fā)送50 000個數(shù)據(jù)包時，節(jié)點全部死亡。結果說明在發(fā)送數(shù)據(jù)量和延長網(wǎng)絡生命周期上E-LEACH明顯優(yōu)于LEACH，仿真結果與理論分析一致，驗證了理論的正確性。

    消耗單位能量到達基站的數(shù)據(jù)量越多，說明能量有效利用率越高?；窘邮盏臄?shù)據(jù)量越多，監(jiān)測的精度越高。圖6為LEACH協(xié)議和E-LEACH協(xié)議基站接收的數(shù)據(jù)包總量比較圖。在消耗200 J能量時， LEACH協(xié)議基站接收到46 730個數(shù)據(jù)包， E-LEACH協(xié)議基站接收到60 870個數(shù)據(jù)包，相比較E-LEACH提高率為30.25%。

    基站在(50,100)位置的兩種協(xié)議比較情況如表1、表2所示。

    總結以上分析數(shù)據(jù),在提高網(wǎng)絡生命周期方面E-EACH方案在基站距離比較遠的時候效果更明顯些?；驹诰嚯x節(jié)點近時，轉發(fā)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)融合消耗能量占的比重比較大，通過中繼起不到很好的節(jié)能效果，所以基站距離遠時，多跳優(yōu)勢充分體現(xiàn)，仿真結果與理論分析是一致的。
    本文改進了LEACH協(xié)議，簇間通信調(diào)度時間收發(fā)數(shù)據(jù)，不可避免存在部分數(shù)據(jù)沖突，仿真結果不是十分穩(wěn)定。有效解決潛在的隱藏終端問題，避免數(shù)據(jù)沖突，將為進一步提高無線傳感器網(wǎng)絡的性能提供可能。
參考文獻
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