《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LEACH協(xié)議的簇頭優(yōu)化協(xié)議研究
來源:微型機與應(yīng)用2012年第19期
張長宏,昝風彪,唐明虎
(青海民族大學 計算機學院,青海 西寧 810007)
摘要: 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,在研究LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種新的優(yōu)化的分簇多跳算法。該算法使用能量因子修正了LEACH協(xié)議中的的閾值,產(chǎn)生簇頭。再將選好的簇頭以距離最短為原則生成一條基站到各簇頭的鏈,采集的數(shù)據(jù)在簇頭融合后按生成的鏈以多跳的方式提交給基站。MATLAB仿真結(jié)果顯示,該協(xié)議能有效地延長網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期。
Abstract:
Key words :

摘  要: 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,在研究LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種新的優(yōu)化的分簇多跳算法。該算法使用能量因子修正了LEACH協(xié)議中的的閾值,產(chǎn)生簇頭。再將選好的簇頭以距離最短為原則生成一條基站到各簇頭的鏈,采集的數(shù)據(jù)在簇頭融合后按生成的鏈以多跳的方式提交給基站。MATLAB仿真結(jié)果顯示,該協(xié)議能有效地延長網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期。
關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò);LEACH協(xié)議;分簇協(xié)議;多跳網(wǎng)絡(luò)

 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,并發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。但是這些傳感器節(jié)點體積小,能量有限,不能更換電池,因此,將最大限度延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期作為一個路由協(xié)議的評價標準。從網(wǎng)絡(luò)的拓撲角度分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議。對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)而言,分簇的層次路由協(xié)議相比于平面路由協(xié)議,其采用簇頭節(jié)點的融合功能有效地減少了數(shù)據(jù)通信量,從而顯著延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命時間。LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[2]協(xié)議是一種典型的分簇層次路由協(xié)議。LEACH中簇頭節(jié)點的選擇是隨機產(chǎn)生的,沒有考慮到節(jié)點的剩余能量,另外從簇頭到基站采用的是單跳的方式,當距離遠時,能量消耗太快。本文基于以上兩點對簇頭進行了優(yōu)化。
1 LEACH協(xié)議概述
1.1 LEACH算法

 LEACH是Heinzelman等為WSN設(shè)計的,仿真表明,它與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分簇路由協(xié)議相比,無論是第一個節(jié)點死亡的輪數(shù)和最后一個節(jié)點死亡的輪數(shù)都提高了3倍[3]。LEACH的每輪分為簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段兩個部分。為節(jié)省能量,一般數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時間要大于建立時間。
1.1.1 簇的建立階段
 設(shè)某個時刻t,每個傳感器節(jié)點在第r輪時從(0,1)之間選擇一個隨機數(shù),如果選定的值小于某個閾值Kn(t),這個節(jié)點就成為簇首節(jié)點,Ki(t)由式(1)計算得到。

表示節(jié)點總數(shù),k為分簇數(shù)。在第1輪中每個節(jié)點成為簇頭的概率為p,選出的簇節(jié)點個數(shù)都為N×p。在接下來的N/k-1輪中不會當選簇頭,利用式(1)計算可知,在沒有節(jié)點死亡時每輪選出的簇頭都為N×p,但實際中有一定的波動。選為簇頭的節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)廣播信息,通知產(chǎn)生了一個新簇頭,接收到信息的節(jié)點根據(jù)信號的強度選擇一個距離其最近的簇頭,并告知簇頭節(jié)點,最后,簇頭采用TDMA方法為簇中每個節(jié)點分配向其傳送數(shù)據(jù)的時間片。
1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸階段
 傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節(jié)點,簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合將結(jié)果直接發(fā)送到基站。
1.2 網(wǎng)絡(luò)模型和最優(yōu)簇頭數(shù)的計算
 網(wǎng)絡(luò)由N個隨機部署的傳感器節(jié)點組成,同時有以下假設(shè):(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)為高密度靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),傳感器節(jié)點和基站部署后均不再發(fā)生位置移動,基站唯一,而且基站的能量是無限制的,其他節(jié)點有相同的能量;(2)節(jié)點具備數(shù)據(jù)融合功能,每個傳感器節(jié)點都有一個唯一的標識(ID);(3)節(jié)點可以根據(jù)接收方距離的遠近調(diào)整其發(fā)射功率以減小能量消耗。LEACH協(xié)議采用的一階無線電模型,當發(fā)送距離較近時(d≤d0),采用自由空間信道模型;當發(fā)送距離較遠時(d>d0),采用多路徑衰減模型。具體如下:



 
 根據(jù)式(9)可知,最優(yōu)簇頭數(shù)與分布的節(jié)點數(shù)成正比,與到基站的距離成反比。這代表著最優(yōu)簇頭隨節(jié)點數(shù)的增加而增大,另外,離基站越遠,簇頭數(shù)越少,因此,向基站傳送數(shù)據(jù)必須先進行融合,再進行傳輸,這樣才能最大程度地節(jié)省能量。當節(jié)點部署在100×100正方形區(qū)域,基站在坐標(50,175)位置時,基站到簇頭的最小距離是75 m,最大距離是185 m,則最佳簇頭數(shù)的范圍為1~6,取5,則popt=0.05。
2 優(yōu)化的協(xié)議
 根據(jù)上面的分析可知,LEACH協(xié)議中簇頭的選擇是隨機產(chǎn)生的,每個節(jié)點每次傳輸信息消耗的能量是不同,雖然每個節(jié)點都得到了均衡的使用,但每個節(jié)點的剩余能量不同,這使得部分節(jié)點提前耗盡能量,網(wǎng)絡(luò)進入不穩(wěn)定期。另外,LEACH協(xié)議采用單跳的方式傳輸信息,當簇頭離基站較遠時,使部分節(jié)點的能耗加大,壽命縮短。針對LEACH協(xié)議的這些缺陷,提出了新的協(xié)議。該協(xié)議的基本思想是對LEACH協(xié)議的簇頭進行優(yōu)化,并形成多跳機制進行數(shù)據(jù)傳輸。與LEACH協(xié)議相近,本協(xié)議也采用了輪,每輪分為簇的建立和穩(wěn)定傳輸兩個階段。在簇的建立階段引入了節(jié)點剩余能量和估計能量的比值EE,對LEACH協(xié)議中的閾值Ki(t)進行優(yōu)化,選出初級簇頭。然后以距離最近的原則選出離基站最近的節(jié)點為超級節(jié)點,再采用貪婪算法將初級簇頭組成一條鏈,每個節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳給初級簇頭進行數(shù)據(jù)融合后沿著鏈最后發(fā)給基站。該算法不僅考慮了節(jié)點的剩余能量,同時以最小的代價將數(shù)據(jù)傳給基站,有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命。
2.1 簇的建立

 


 LEACH協(xié)議在簇頭選擇過程中,每個節(jié)點都要產(chǎn)生一個0~1的隨機數(shù)與閾值Ki(t)進行比較,小于閾值則選為簇頭。參考文獻[4]通過先用LEACH協(xié)議產(chǎn)生臨時簇頭,再根據(jù)節(jié)點的平均能量和質(zhì)心位置去優(yōu)化選簇,這就需要額外的廣播信息告知自己的位置信息和能量信息,還要進行大量的計算,使簇的建立階段浪費了許多能量。因此,基于既要考慮節(jié)點的剩余能量,又要降低開銷的思路,引入了節(jié)點剩余能量和估計能量的比值EE,其計算式如下:

 其中,r為當前運行的輪次,N0為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的預(yù)計運行輪次,E0為節(jié)點的初始能量,Ei為節(jié)點i的剩余能量。使每個節(jié)點產(chǎn)生的隨機數(shù)與Ki′(t)相比較,剩余的能量越大,比值EE越大,當選簇頭的可能就越大;反之,剩余的能量越小,比值EE越小,當選簇頭的可能就越小,從而避免了低能量節(jié)點能量耗盡。當選簇頭的節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)廣播信息,通知產(chǎn)生了一個新簇頭,接收到信息的節(jié)點根據(jù)信號的強度選擇一個簇頭,并告知簇頭節(jié)點。
 此外,各簇頭節(jié)點向基站發(fā)送廣播信息,基站根據(jù)信號的強度選與其距離最近的節(jié)點為超級節(jié)點,并給選定的超級節(jié)點發(fā)信息,超級節(jié)點根據(jù)各簇頭節(jié)點廣播的信息,選擇最近的簇頭節(jié)點為下一跳,并發(fā)送廣播通知下一節(jié)點,下一節(jié)點重復(fù)同樣的操作,直到所有的簇頭加入鏈。
2.2 穩(wěn)定傳輸階段
 傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節(jié)點,鏈中最后一個簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合,將結(jié)果傳送到鏈中的下一簇頭節(jié)點,下一級簇頭節(jié)點接收到所有簇內(nèi)節(jié)點和簇頭節(jié)點的信息后進行數(shù)據(jù)融合,再傳到鏈中的下一個簇頭節(jié)點。進行反復(fù)操作,直到超級節(jié)點融合數(shù)據(jù)后直接發(fā)送到基站。
3 仿真結(jié)果分析
 實驗采用MATLAB進行仿真,模擬實現(xiàn)了LEACH和本文提出的優(yōu)化的新協(xié)議的性能比較。仿真主要參數(shù)如下:100個節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域中,基站位于(50,175)。式(9)選定的最佳簇數(shù)為5,則簇頭的概率p=0.05,節(jié)點的預(yù)計運行輪次N0=1 500輪。其他主要參數(shù)如表1所示。

 圖1給出了優(yōu)化的新協(xié)議與LEACH協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存周期的比較,以仿真輪數(shù)代表時間。LEACH協(xié)議和新協(xié)議的第一個節(jié)點死亡出現(xiàn)的輪數(shù)分別為667、961,半數(shù)節(jié)點死亡的輪數(shù)分別為913、1 117,最后一個節(jié)點死亡的輪數(shù)分別為1 719、1 494。從圖1中可以看出,新協(xié)議第一個節(jié)點死亡的輪數(shù)和半數(shù)節(jié)點死亡的輪數(shù)都比LEACH長,尤其是第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)的時間比LEACH長了44%。
 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,將從仿真開始到第一個節(jié)點死亡的時期稱為穩(wěn)定期,該值越大,網(wǎng)絡(luò)的性能越好。將第一個節(jié)點死亡到全部節(jié)點死亡稱為不穩(wěn)定期,不穩(wěn)定的長短表明了網(wǎng)絡(luò)的收斂性,不穩(wěn)定期越長,網(wǎng)絡(luò)性能越長。從圖1中還看到,新協(xié)議比LEACH協(xié)議有更好的收斂性。
 根據(jù)結(jié)果分析出主要的原因,一方面是對于簇頭的優(yōu)化,另一方面是采用多跳的傳輸技術(shù)比較節(jié)省能量,并且使能量的分布更加均衡,從而使第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)時間比較晚,同時使網(wǎng)絡(luò)有了很好的收斂性。
本文在分析LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種簇頭優(yōu)化協(xié)議,仿真結(jié)果顯示,第一個節(jié)點死亡的時間相比LEACH協(xié)議有了很大提高,同時,網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定期縮短,有很好的收斂性,提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。
參考文獻
[1] 孫利民. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學出版社,2005.
[2] HEINZELMAN W R, CHANDRAKASAN A, BALAKRISHNAN H. Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]. Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences, 2000.
[3] HEINZELMAN W R. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2002, 1(4):660-670.
[4] 張品,徐智福,孫巖.一種新的基于簇頭的WSN路由協(xié)議[J].傳感技術(shù)學報,2009(7):1013-1017.

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