無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的研究

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(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。2LEACH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)。2.1LEACH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]（firstorderradiomodel）。

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kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為：傳感器節(jié)點接收kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為：：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。由圖2和圖3可知，當節(jié)點之間的距離較遠時，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(dǎo)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