無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的研究

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的研究摘 要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，與平面路由協(xié)議相比分簇路由協(xié)議具有一定優(yōu)勢。本文以leach協(xié)議為例，對分簇路由協(xié)議進行了分析。leach協(xié)議是單跳同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本文通過對比單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，說明多跳網(wǎng)絡(luò)更節(jié)能，所以從節(jié)約能量的角度出發(fā)，用多跳路由的理論對leach協(xié)議進行補充，表明在leach協(xié)議中采用多跳路由理論的優(yōu)勢。 關(guān)鍵字分簇路由協(xié)議；leach協(xié)議；多跳路由；能量消耗1 引言 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議按照最終形成的拓撲結(jié)構(gòu)，可以劃分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議1。在平面路由協(xié)議中，所有節(jié)點的地位是平等的，可擴充性比較差，維護動態(tài)變化的路由需要大量

2、的控制信息。在層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，群成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴充性。同其它通信網(wǎng)絡(luò)一樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計屬性之一是可擴展性。隨著傳感器節(jié)點密度的增加，單層網(wǎng)絡(luò)可能會引起網(wǎng)關(guān)節(jié)點負載過重。這種過重負載可能會引起通信延遲和不能及時跟蹤監(jiān)測事件。另外，對于覆蓋更大區(qū)域的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于傳感器節(jié)點不支持長距離通信，單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是不可擴展的。為了使系統(tǒng)能夠在不降低服務(wù)質(zhì)量的情況下處理額外的負責和覆蓋更大范圍的區(qū)域，人們采用了分簇的方式組織傳感器網(wǎng)絡(luò)。分簇式路由協(xié)議與其他路由協(xié)議相比具有一定的優(yōu)勢2： （1）分簇式路由協(xié)議消

3、耗能量少且能量消耗分布均勻，能有效的延長網(wǎng)絡(luò)壽命，平衡網(wǎng)絡(luò)負載。 （2）分簇式路由協(xié)議是基于某種簇形成策略，選舉產(chǎn)生一個較為穩(wěn)定的子網(wǎng)絡(luò)，從而減少了拓撲結(jié)構(gòu)變化對路由協(xié)議帶來的影響。 （3）簇頭節(jié)點對所在簇內(nèi)的節(jié)點進行管理，能方便地向基站傳達節(jié)點的各種信息，例如能量、安全性、故障等。另外基站通過頭節(jié)點可以有效地向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點發(fā)送命令，這是平面路由所不能有效實現(xiàn)的。2 leach協(xié)議 分簇結(jié)構(gòu)的簇首的選舉是基于傳感器節(jié)點的能量儲備情況。leach協(xié)議是最早被提出的層次路由協(xié)議。雖然有一些層次路由協(xié)議獨立于leach協(xié)議而單獨開發(fā)的，但大多數(shù)層次路由協(xié)議是收到leach協(xié)議的啟發(fā)。2.1 lea

4、ch算法的物理模型 在leach的路由算法中，使用的能量消耗公式是一階無線電模式3（first order radio model）。 leach協(xié)議的這個模式基于以下假設(shè)： （1）網(wǎng)絡(luò)里所有節(jié)點完全相同并且能量非常有限。 （2）無線電信號在各個方向上能量消耗相同。 （3）匯聚節(jié)點（基站）是固定的，并且離整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠。 傳感器節(jié)點發(fā)送k bit數(shù)據(jù)所消耗的能量為： 傳感器節(jié)點接收k bit數(shù)據(jù)所消耗的能量為： 其中是信號放大器的放大倍數(shù)。是發(fā)送電路和接收電路消耗的能量，由于實際相差不大，在這個模式里面簡化為兩者相等。而是由無線電通道決定的常量。d是信號傳輸?shù)木嚯x。其中，這意味著，信號

5、傳輸距離越短，能量消耗越少。在發(fā)送距離較近時，適用自由空間信道模型，取2；而當發(fā)送距離較遠時，適用多徑衰落信道模型，取4，也稱之為雙路徑模型4。2.2 leach協(xié)議的不足之處 （1）由于每輪固定類首之后再建立簇類，所以簇頭的開銷比較大，并且離散式區(qū)域算法雖然對于節(jié)點位置等要求不高，但無法做到最優(yōu)。 （2）由于leach要求節(jié)點之間以及節(jié)點與基站之間均可以直接通信，所以網(wǎng)絡(luò)的擴展性不強，并且不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。 （3）leach的傳輸距離較遠，并且數(shù)據(jù)融合相對較少，這就要求傳輸更多的數(shù)據(jù)到更遠的距離，從而加大了能量消耗。 （4）leach算法簇間通信采用單跳通信。如果基站到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的距離很遠，根

6、據(jù)一階無線電模式給出的能量消耗公式，可知如果采用直接發(fā)送協(xié)議將需要耗費相當?shù)哪芰縼頋M足遠距離的直接通信，這樣會很快耗盡節(jié)點中的電池，減少整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。 （5）leach協(xié)議中簇內(nèi)節(jié)點的跳數(shù)只有一跳，即每個節(jié)點直接和簇首通信而不需要其它節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這雖然帶來了通信的方便和簡單的優(yōu)點，但也造成了每個簇的規(guī)模有限，不利于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展，不適合大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3 單跳網(wǎng)絡(luò)與多跳網(wǎng)絡(luò)的能量分析 基于簇的路由協(xié)議leach協(xié)議是一種單跳的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸數(shù)據(jù)的方式包括單跳和多跳，我們將對這兩種方式的網(wǎng)絡(luò)進行能量消耗方面的分析。3.1 單跳網(wǎng)絡(luò)能量分析 使用單跳路由協(xié)議方式

7、時，每個傳感器節(jié)點可以直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。根據(jù)藍牙無線技術(shù)的資料，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量與距離之間是平方關(guān)系。單跳路由協(xié)議每個傳感器節(jié)點的耗能與節(jié)點到基站間的距離的關(guān)系可以表示為：e=k2 (k=1，2，3) 其中，是單位數(shù)據(jù)傳送單位距離時傳感器的能耗j，k為節(jié)點與基站之間的距離m，e為節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時的能耗，參見圖1。圖1 單跳路由協(xié)議的能量關(guān)系3.2 多跳網(wǎng)絡(luò)能量分析 在多跳路由協(xié)議中，節(jié)點能耗與距離的關(guān)系可表示為： 其中d是離基站最遠的節(jié)點與基站的距離，k是任意一節(jié)點到基站的距離。由圖2可知，節(jié)點距離基站較近時能耗很大，距離遠時能耗少。圖2 多跳路由協(xié)議的能量關(guān)系 由圖2和圖3可知，當節(jié)點之

8、間的距離較遠時，采用多跳路由的方式傳輸數(shù)據(jù)更能節(jié)省能量，而leach協(xié)議的假設(shè)前提條件之一便是匯聚節(jié)點（基站）是固定的，并且離整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠，所以對leach協(xié)議而言，采用多跳算法比較能夠節(jié)約能量。4 對leach協(xié)議的改進 多跳通信能夠節(jié)約能量，提高網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。源節(jié)點通過將數(shù)據(jù)發(fā)往鄰近的節(jié)點而不是相距很遠的簇頭，可以達到減少單個節(jié)點能耗，平衡網(wǎng)絡(luò)負載的作用。通過多跳路由的方式來平衡分簇結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的負載，它可以有效避免某些簇頭節(jié)點因為距離基站較遠而導致過早死亡，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。這包括兩個方面，一個是簇頭節(jié)點間的多跳通信，一個是簇內(nèi)普通傳感器節(jié)點的多跳通信5。4.1 簇間采取

9、多跳通信 在leach協(xié)議中，各個簇頭節(jié)點是直接與基站通信，采取一跳通信方式（或稱直接通信）。但是簇頭節(jié)點距離基站往往比較遠，遠距離的數(shù)據(jù)傳輸會大大消耗簇頭節(jié)點的能量，所以考慮簇間采取多跳通信方式以節(jié)省能耗。4.1.1 參數(shù)設(shè)置 （1）簇類半徑r：簇類覆蓋區(qū)域的大小是以r為半徑的圓形區(qū)域，只有在簇頭節(jié)點通信半徑r內(nèi)的節(jié)點才能成為此簇類的成員； （2）權(quán)值w： 其中，eresidual為節(jié)點剩余能量，emax為節(jié)點初始最大能量，dtobs為節(jié)點到基站的距離，dmax為傳感器節(jié)點范圍內(nèi)離基站最遠的距離。這樣，距離基站較近且能量足夠的簇頭節(jié)點將優(yōu)先成為根節(jié)點。若發(fā)生權(quán)值相等的情況，則根據(jù)節(jié)點的id大

10、小來選擇父節(jié)點。權(quán)值綜合考慮了節(jié)點能量和距離基站的距離。4.1.2 簇頭節(jié)點間多跳路徑的形成 簇類形成之后，簇頭節(jié)點在其覆蓋半徑r內(nèi)廣播其自身權(quán)重（weight）消息，消息包含其節(jié)點id以及權(quán)值w。各簇頭節(jié)點比較自身的權(quán)值和收到的weight消息中包含的權(quán)值，若本節(jié)點權(quán)值較小，則選擇權(quán)值最大的節(jié)點作為父節(jié)點，并發(fā)送加入（join）消息通知父節(jié)點，權(quán)值最大的節(jié)點將成為樹的根節(jié)點。這樣就形成了簇頭節(jié)點間多跳通信的路徑。簇頭節(jié)點沿著路徑將收集到的數(shù)據(jù)進行融合并傳送給父節(jié)點，一級一級傳遞直至數(shù)據(jù)傳送到基站。若節(jié)點未收到任何weight消息，說明此簇類周圍沒有其它簇類存在，那么這個節(jié)點就直接與基站通信。

11、這種情況可能發(fā)生在節(jié)點已絕大部分死亡或節(jié)點密度小導致簇類的分布較為稀疏時。 4.2 簇內(nèi)采取多跳通信 簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建立的主要思想是從簇首開始采用泛洪的方式廣播狀態(tài)信息，節(jié)點收到狀態(tài)信息后廣播自己的狀態(tài)信息，如此反復，直至到達網(wǎng)絡(luò)的最大跳數(shù)。從而使得每個節(jié)點建立起到達簇首的最小跳數(shù)鏈路，完成簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的建立。 5 總結(jié) 本文對傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由協(xié)議進行了討論，以基于簇的單跳同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議leach協(xié)議為例，對分簇路由協(xié)議進行了分析，列舉了leach協(xié)議的優(yōu)點和缺點。leach協(xié)議是單跳同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本文通過對比單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，說明多跳網(wǎng)絡(luò)更節(jié)能，所以從節(jié)約能量的角度出發(fā)，用多跳路由的理論對leach協(xié)議進行補充，表明在leach協(xié)議中采用多跳路由理論的優(yōu)勢。參考文獻1范新運，王福豹，任豐原無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議計算機測量與控制，2005.92劉曉芳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議比較研究北京郵電大學碩士研究生學位論文，2006.33heinzelman w，chandrakasan a，balakrishnan h. an application-specifid protocol architectu