摘  要： 通過分析LEACH協議的優缺點，提出了一種改進的基于位置的水聲傳感器網絡分簇路由協議——PBCP。該協議對LEACH的簇首選擇機制進行了改進，同時基于位置信息將簇首與Sink節點之間的通信由單跳改為多跳。仿真結果表明，與LEACH協議相比，PBCP協議能夠有效節約節點能量，平衡網絡負載，延長網絡生存時間。
關鍵詞： 水聲傳感器網絡；位置；分簇；路由協議

    水聲傳感器網絡(Underwater Acoustic Sensor Networks)是水聲通信技術與無線傳感器網絡結合所產生的一個新的研究領域，經常應用于對固定海域的長期監測。這種網絡一旦部署完畢，就需要在水下長期工作，而且，在此期間一般不會更換節點電池，因此延長網絡生命期成為水聲傳感器網絡的一個熱點問題。在路由協議中，合理地選擇路由對提高節點的能量效率、延長網絡生命期十分重要[1]。LEACH協議分簇概念被引入之后，使得網絡在節能以及網絡壽命方面得到了很大提高，然而LEACH協議在水聲傳感器網絡中的應用也有其自身不可忽略的局限性[2]。本文在LEACH算法的基礎上介紹了一種改進的路由算法PBCP(Position-based Clustering Protocol)，該算法在簇首選舉過程中充分考慮節點的能量因素，避免剩余能量較低的節點成為簇首節點。
1 LEACH協議及性能分析
1.1 LEACH算法描述
    LEACH協議的全稱是“低功耗自適應集群分層協議”(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，它采用動態分簇技術，使網絡中的所有節點輪換充當簇首，以均衡網絡中的能量消耗，延長整個網絡的生命周期。在LEACH算法中，節點自組織成不同的簇，每個簇只有一個簇首。所有非簇首節點將自己的數據發給所屬簇的簇首節點，為減少冗余數據的傳輸，簇首節點在數據融合后將數據發送給遠方的Sink節點[3]。這樣，每個非簇首節點都只需要知道自己所屬簇的簇首信息即可，簇首也只需要維持很小的路由表，為了避免簇首能量消耗過快，每個節點須輪流擔任簇首。
    因此LEACH算法的實現分成若干輪，每一輪又可分成簇形成階段和簇傳輸階段，而簇傳輸階段遠遠長于簇形成階段。在簇形成階段，每一個還沒有擔任過簇首的節點分別生成0～1之間的隨機數，如果生成的隨機數小于給定的閾值T(n)，則選擇為簇首。T(n)的計算方法如下：    
    
其中，p是簇首在所有節點中所占的百分比，r是選舉輪數，G代表最近l/p輪中還沒有當選過簇首的節點集合。
    一旦節點被選定為簇首后，就向外發送簇首廣播信息。非簇首節點根據收到的簇首廣播信息的信號強弱決定要加入哪個簇，并向將要加入簇的簇首發送入簇請求。簇首在收到請求后將該節點加入自己的路由表并為每個節點設定一個TDMA定時消息，并且通知該簇中所有節點。此后的簇傳輸階段，簇內節點按照該TDMA時間表與簇首進行通信，簇首節點接收簇內其他節點發送的數據，并將這些數據進行融合，然后發送給Sink節點。每隔一定時問，整個網絡重新進入簇形成階段開始新一輪的簇首選舉過程。
1.2 LEACH算法的不足
    LEACH協議采用層次結構，與平面路由相比簡化了路徑的選擇及路由信息的存儲，同時自適應隨機選取簇首節點，利于實現全網負載的均衡。但是LEACH協議存在下列3個方面的問題，制約著網絡能量的均衡消耗。
    （1）節點擔任簇首是嚴格的等概率選擇，能量較低的節點一旦成為簇首很容易耗盡能量而死亡；
    （2）每一輪通信結束后都要重新執行簇首選擇和簇內、簇間路由的建立，導致了大量的能量消耗；
    （3）簇首節點以單跳形式向基站傳送數據，不僅會導致距離基站較遠節點的能量消耗過大，也不利于網絡的大規模擴展。

2.2 鏈路層協議
2.2.1 鏈路層協議的選擇
    與陸地傳感器網絡不同，水聲傳感器網絡具有傳輸時延大、可用頻帶有限、嚴重的時變多途影響等。因此選取合理有效的鏈路層協議顯得至關重要。鏈路層協議的基本任務是為傳感器節點分配有限的水聲信道資源，避免沖突。
    由于水聲信道為共享介質，節點發送數據的過程中可能會與其他節點發送的數據產生碰撞，造成發送包被丟棄，需重傳發送的數據，導致碰撞節點發送這些數據消耗更多額外的能量，同時節點會接收并處理不必要的數據，然后再將其丟棄，造成節點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。因此需要考慮采用信道復用技術來合理分配水聲信道。常用的信道復用技術包括頻分多址FDMA、時分多址TDMA和碼分多址CDMA[5]。由于水聲信道的通信帶寬非常有限，通常只有幾千赫量級，基本無法使用頻分多址技術實現多用戶通信；而時分多址要求有時間保護間隔，且對時間同步的要求非常高，所以不適合大范圍的水聲通信；碼分多址是實現水下多用戶通信的可行技術選擇[6]。
    碼分多址具有系統容量高、功耗低、抗干擾性好、抗多徑衰落、保密安全性高、擴展性好等優點[7]。碼分多址系統為每個用戶分配了各自特定的地址碼，利用地址碼序列的正交性和準正交性來區分不同用戶，在同頻、同時的條件下，各接收機根據不同信號碼型之間的差異分離出需要的信號[8]。
    基于以上因素，本文考慮采用基于時分多址和碼分多址的混合信道復用技術，即Sink節點采用一個彼此共知的CDMA擴頻碼（以下簡稱公共信道）與所有節點之間通信，每個簇內采用唯一的CDMA擴頻碼進行通信，避免簇間的信道沖突。簇內節點與簇首之間的通信采用時分復用技術，簇內節點只在規定的時隙向簇首節點發送數據。簇首與Sink節點之間進行多跳傳輸時每個簇首節點都將要傳輸的數據通過下一跳節點的跳頻碼字發送。
2.2.2 擴頻地址碼的分配
    由于碼分多址要求每條信道所采用的擴頻地址碼唯一，故考慮在簇首選出后由Sink節點對擴頻地址碼進行統一分配。簇首節點在收到分配給本簇的擴頻碼后將自身當選簇首的消息連同自身位置信息和該擴頻碼通過公共信道進行廣播，為了避免多個簇首節點在同一時刻廣播自己的消息造成信道沖突，本文考慮采用MACA協議中的RTS/CTS握手機制[9]：每個節點在當選簇首后通過公共信道向Sink節點發送一個RTS請求，Sink節點在收到所有的請求后為每個簇首節點分配一個唯一的CDMA擴頻碼，并按照請求的順序依次給相應簇首發送攜帶其擴頻碼的CTS回應，簇首節點在收到CTS后，使用公共信道向全網廣播自己當選簇首的消息，Sink節點在收到這一廣播后繼續給下一個簇首節點發送CTS回應,直到所有的簇首節點都將自己的消息廣播出去。
2.3 網絡模型假設
    (1)水聲傳感器網絡是同構網絡，Sink節點沒有能量限制；
    (2)本文討論的水聲無線傳感器網絡為二維靜態網絡，不考慮節點的移動性；
    (3)各節點的初始能量相等，各節點都有功率調節裝置，可以根據距離的遠近調整發射功率；
    (4)傳感器節點可以通過外部設施或是其他的定位機制獲得其地理位置信息；
    (5)每個傳感器節點都有一個唯一的ID作為其在網絡中的標識；
    (6)網絡規模較小，每個傳感器節點的通信范圍都可以覆蓋整個網絡。
2.4 改進算法的描述
2.4.1 簇首節點的選擇
    在每一輪的信息傳遞中，所有節點都把自身的當前能量值隨采集到的數據信息發送給簇首，簇首在進行數據融合后連同自己的剩余能量信息發送給Sink節點，Sink節點在每輪通信結束后便掌握了所有節點的剩余能量信息。這樣Sink節點便可以計算出當前網絡中節點的平均能量Eavg并在發出開始下一輪簇首選舉的命令中攜帶這一參數。所有節點在收到簇首選舉命令后將自身能量E與Eavg進行比較，若E>Eavg，則參與簇首選舉，反之，放棄選舉簇首。簇首的選舉依據式(6)：
  
 

    由于所選出的簇首節點能量均高于節點的平均能量，這樣便可以保證整個網絡的結構在一定時期內相對穩定。在出現了能量過低的簇首節點而執行簇內簇首重選時，只更改了本簇內的網絡結構和上一跳簇首節點的路由表，分簇結構的主體結構并沒有改變，避免了每輪重選簇首造成的大量能耗和長時延。
3 算法的仿真分析
3.1 仿真參數
    為了驗證PBCP算法的性能, 在MATLAB環境中對PBCP和LEACH協議進行了仿真比較。網絡規模為一個Sink節點和100個sensor節點，分布在20 km×20 km的區域內。仿真參數如表1所示。

    從圖3中可以看出，PBCP協議的死亡節點達到一半時，LEACH協議的節點數已經接近全部死亡。與應用LEACH協議相比網絡生存期延長了約45％，并且大大推遲了第一個節點死亡的時間，仿真結果表明，應用PBCP協議能夠有效節約節點能量，平衡網絡負載，延長網絡生存時間。

    延長網絡生命期成為水聲傳感器網絡的一個熱點問題。在路由協議中，合理地選擇路由，對提高節點的能量效率，延長網絡生命期十分重要。本文在LEACH算法的基礎上，介紹了一種改進的路由算法PBCP，該算法在簇首選舉過程中充分考慮節點的能量因素，避免剩余能量較低的節點成為簇首節點。下一步的研究包括：在簇首節點的選舉中綜合考慮能量位置等因素；保證簇首節點在地理上均勻分布；驗證該協議在三維環境中的能耗性能；優化執行簇內簇首重選、簇結構重新建立的閾值參數等。
參考文獻
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