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(shì)。本文以leach協(xié)議為例，對(duì)分簇路由協(xié)議進(jìn)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(duì)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(duì)leach協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，表明在leach協(xié)議中采用多跳路由理論的優(yōu)勢(shì)。 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?fù)浣Y(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(diǎn)的地位是平等的，可擴(kuò)充性比較差，維護(hù)動(dòng)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(jiǎn)單，不需要維護(hù)復(fù)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(kuò)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(jì)屬性之一是可擴(kuò)展性。隨著傳感器節(jié)點(diǎn)密度的增加，單層網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)引起網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重。這種過重負(fù)載可能會(huì)引起通信延遲和不能及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)事件。另外，對(duì)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(diǎn)不支持長(zhǎng)距離通信，單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是不可擴(kuò)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(fù)責(zé)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(shì)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(gè)較為穩(wěn)定的子網(wǎng)絡(luò)，從而減少了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對(duì)路由協(xié)議帶來的影響。 （3）簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)所在簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，能方便地向基站傳達(dá)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以有效地向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，這是平面路由所不能有效實(shí)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(diǎn)的能量?jī)?chǔ)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(dú)立于leach協(xié)議而單獨(dú)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(gè)模式基于以下假設(shè)： （1）網(wǎng)絡(luò)里所有節(jié)點(diǎn)完全相同并且能量非常有限。 （2）無線電信號(hào)在各個(gè)方向上能量消耗相同。 （3）匯聚節(jié)點(diǎn)（基站）是固定的，并且離整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn)。 傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送k bit數(shù)據(jù)所消耗的能量為： 傳感器節(jié)點(diǎn)接收k bit數(shù)據(jù)所消耗的能量為： 其中是信號(hào)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(shí)際相差不大，在這個(gè)模式里面簡(jiǎn)化為兩者相等。而是由無線電通道決定的常量。d是信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。其中，這意味著，信號(hào)

5、傳輸距離越短，能量消耗越少。在發(fā)送距離較近時(shí)，適用自由空間信道模型，取2；而當(dāng)發(fā)送距離較遠(yuǎn)時(shí)，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(duì)于節(jié)點(diǎn)位置等要求不高，但無法做到最優(yōu)。 （2）由于leach要求節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)與基站之間均可以直接通信，所以網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性不強(qiáng)，并且不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。 （3）leach的傳輸距離較遠(yuǎn)，并且數(shù)據(jù)融合相對(duì)較少，這就要求傳輸更多的數(shù)據(jù)到更遠(yuǎn)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(diǎn)的距離很遠(yuǎn)，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(fèi)相當(dāng)?shù)哪芰縼頋M足遠(yuǎn)距離的直接通信，這樣會(huì)很快耗盡節(jié)點(diǎn)中的電池，減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。 （5）leach協(xié)議中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)只有一跳，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)直接和簇首通信而不需要其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這雖然帶來了通信的方便和簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但也造成了每個(gè)簇的規(guī)模有限，不利于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)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(duì)這兩種方式的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。根據(jù)藍(lán)牙無線技術(shù)的資料，節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的耗能與節(jié)點(diǎn)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(shí)傳感器的能耗j，k為節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離m，e為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(diǎn)能耗與距離的關(guān)系可表示為： 其中d是離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)與基站的距離，k是任意一節(jié)點(diǎn)到基站的距離。由圖2可知，節(jié)點(diǎn)距離基站較近時(shí)能耗很大，距離遠(yuǎn)時(shí)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(dāng)節(jié)點(diǎn)之

8、間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，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(diǎn)（基站）是固定的，并且離整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn)，所以對(duì)leach協(xié)議而言，采用多跳算法比較能夠節(jié)約能量。4 對(duì)leach協(xié)議的改進(jìn) 多跳通信能夠節(jié)約能量，提高網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。源節(jié)點(diǎn)通過將數(shù)據(jù)發(fā)往鄰近的節(jié)點(diǎn)而不是相距很遠(yuǎn)的簇頭，可以達(dá)到減少單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(fù)載，它可以有效避免某些簇頭節(jié)點(diǎn)因?yàn)榫嚯x基站較遠(yuǎn)而導(dǎo)致過早死亡，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。這包括兩個(gè)方面，一個(gè)是簇頭節(jié)點(diǎn)間的多跳通信，一個(gè)是簇內(nèi)普通傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)距離基站往往比較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)大大消耗簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通信半徑r內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能成為此簇類的成員； （2）權(quán)值w： 其中，eresidual為節(jié)點(diǎn)剩余能量，emax為節(jié)點(diǎn)初始最大能量，dtobs為節(jié)點(diǎn)到基站的距離，dmax為傳感器節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)離基站最遠(yuǎn)的距離。這樣，距離基站較近且能量足夠的簇頭節(jié)點(diǎn)將優(yōu)先成為根節(jié)點(diǎn)。若發(fā)生權(quán)值相等的情況，則根據(jù)節(jié)點(diǎn)的id大

10、小來選擇父節(jié)點(diǎn)。權(quán)值綜合考慮了節(jié)點(diǎn)能量和距離基站的距離。4.1.2 簇頭節(jié)點(diǎn)間多跳路徑的形成 簇類形成之后，簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)id以及權(quán)值w。各簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)權(quán)值較小，則選擇權(quán)值最大的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送加入（join）消息通知父節(jié)點(diǎn)，權(quán)值最大的節(jié)點(diǎn)將成為樹的根節(jié)點(diǎn)。這樣就形成了簇頭節(jié)點(diǎn)間多跳通信的路徑。簇頭節(jié)點(diǎn)沿著路徑將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并傳送給父節(jié)點(diǎn)，一級(jí)一級(jí)傳遞直至數(shù)據(jù)傳送到基站。若節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)就直接與基站通信。

11、這種情況可能發(fā)生在節(jié)點(diǎn)已絕大部分死亡或節(jié)點(diǎn)密度小導(dǎo)致簇類的分布較為稀疏時(shí)。 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(diǎn)收到狀態(tài)信息后廣播自己的狀態(tài)信息，如此反復(fù)，直至到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的最大跳數(shù)。從而使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立起到達(dá)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(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由協(xié)議進(jìn)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(duì)分簇路由協(xié)議進(jìn)行了分析，列舉了leach協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。leach協(xié)議是單跳同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本文通過對(duì)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(duì)leach協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，表明在leach協(xié)議中采用多跳路由理論的優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1范新運(yùn)，王福豹，任豐原無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議計(jì)算機(jī)測(cè)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(xué)碩士研究生學(xué)位論文，2006.33heinzelman w，chandrakasan a，balakrishnan h. an application-specifid protocol architectu