無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過飛機(jī)播撒部署在人跡罕至的地方進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，或者部署在敵區(qū)。人們無法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電池更換。即使人類能進(jìn)入的區(qū)域，對(duì)龐大數(shù)量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電或者更換電池，也是一項(xiàng)非常艱巨的工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問題成為研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)。為了有效地對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)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(luò)的路由協(xié)議，沒有充分考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限的特點(diǎn)，不再適用于無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)外針對(duì)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)在第r輪，產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)x,x∈[0,1]與閾值T(n)進(jìn)行比較決定是否當(dāng)選為簇頭。如果x≤T(n)，該節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前輪被選舉為簇頭；否則，該節(jié)點(diǎn)在該輪為非簇頭節(jié)點(diǎn)[1]。

其中，p為簇頭數(shù)在所有節(jié)點(diǎn)當(dāng)中占的百分比；G為在最近1/p輪沒當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)集合；在1/p-1輪后，T(n)=1，所有在最近1/p輪中沒有被當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)均被當(dāng)選為簇頭。當(dāng)某一輪選舉完后，被當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)廣播。簇頭建立起來后，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)感知到的信號(hào)強(qiáng)度決定要加入哪個(gè)簇。同時(shí)非簇頭節(jié)點(diǎn)采用CSMA_MAC方式通知要加入的簇頭。簇頭節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分多址TDMA(Time Division Multiple Access)的方式為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙，避免簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行簇頭選舉，有利于負(fù)載均衡，延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH協(xié)議仍然存在一些缺點(diǎn)需要改進(jìn):LEACH協(xié)議簇頭選舉時(shí)，由于選舉的簇頭是個(gè)隨機(jī)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(jī)性，對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)容易造成簇頭在場(chǎng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命。簇頭節(jié)點(diǎn)和基站之間采用單跳傳輸，造成簇頭節(jié)點(diǎn)能耗大，容易過早死亡。簇頭選舉時(shí)沒有充分考慮到節(jié)點(diǎn)剩余能量和到基站的距離對(duì)均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響[1]。
2 E-LEACH算法理論分析
2.1 改進(jìn)簇頭選舉算法
    LEACH協(xié)議中在一輪循環(huán)當(dāng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照概率分布充當(dāng)1次簇頭，N/k-1次非簇頭。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和較高能量節(jié)點(diǎn)具有相同的概率當(dāng)選為簇頭。如果較低能量節(jié)點(diǎn)被當(dāng)選為簇頭，則能量很快耗盡，節(jié)點(diǎn)很快死亡，不利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存。改進(jìn)算法考慮到剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)具有較大概率成為簇頭，有利于延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。對(duì)閾值公式進(jìn)行改進(jìn),如式(2)所示，其中Einit表示節(jié)點(diǎn)初始化能量，rs為該節(jié)點(diǎn)連續(xù)沒有被選為簇頭的輪數(shù);Eres為該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量低于本區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均能量時(shí)，該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)多跳傳輸數(shù)據(jù)
    當(dāng)一輪選舉結(jié)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(zhuǎn)發(fā)至基站[3]。當(dāng)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(dāng)選的簇頭節(jié)點(diǎn)更新路由樹。在簇頭節(jié)點(diǎn)給下一跳節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)接收簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)，會(huì)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(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)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(dāng)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。考慮到中繼節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)融合,會(huì)消耗一部分能量。頻繁的中繼轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)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(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。如果中繼節(jié)點(diǎn)能量比較低，則會(huì)導(dǎo)致中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)才能當(dāng)選為簇頭。簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)
    本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行修改得到E-LEACH，增加findnexthop子函數(shù)實(shí)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(diǎn)數(shù))；增加sendtoNextHop子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)到下一跳節(jié)點(diǎn)；增加 recvNeighbore子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)為鄰居簇頭中繼數(shù)據(jù)。基站位置設(shè)置在(50,175),其他參數(shù)采用LEACH協(xié)議默認(rèn)的值。NS2仿真得到的數(shù)據(jù)采用Matlab進(jìn)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(diǎn)死亡時(shí)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(diǎn)死亡時(shí)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(diǎn)死亡時(shí)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(luò)協(xié)議基站接收到的數(shù)據(jù)包和生存節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)關(guān)系比較圖，從圖5可以看出，E-LEACH在發(fā)送50 000個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)為100，而LEACH協(xié)議在發(fā)送50 000個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)全部死亡。結(jié)果說明在發(fā)送數(shù)據(jù)量和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期上E-LEACH明顯優(yōu)于LEACH，仿真結(jié)果與理論分析一致，驗(yàn)證了理論的正確性。

    消耗單位能量到達(dá)基站的數(shù)據(jù)量越多，說明能量有效利用率越高。基站接收的數(shù)據(jù)量越多，監(jiān)測(cè)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(shí)， LEACH協(xié)議基站接收到46 730個(gè)數(shù)據(jù)包， E-LEACH協(xié)議基站接收到60 870個(gè)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(jié)以上分析數(shù)據(jù),在提高網(wǎng)絡(luò)生命周期方面E-EACH方案在基站距離比較遠(yuǎn)的時(shí)候效果更明顯些。基站在距離節(jié)點(diǎn)近時(shí)，轉(zhuǎn)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(yuǎn)時(shí)，多跳優(yōu)勢(shì)充分體現(xiàn)，仿真結(jié)果與理論分析是一致的。
    本文改進(jìn)了LEACH協(xié)議，簇間通信調(diào)度時(shí)間收發(fā)數(shù)據(jù)，不可避免存在部分?jǐn)?shù)據(jù)沖突，仿真結(jié)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(jìn)一步提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能提供可能。
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