無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)lech協(xié)議的能耗分析與協(xié)議設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)lech協(xié)議的能耗分析與協(xié)議設(shè)計(jì)

0節(jié)點(diǎn)能耗模型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整合了傳感器、微電機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。它利用內(nèi)置形狀的傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境中的熱、外觀、聲音和雷達(dá)，包括溫度、濕度、速度、光強(qiáng)度、壓力等。由于它成本低、體積小、能耗少的特點(diǎn)，成為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越受重視的工具，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療以及空間探索等生產(chǎn)生活的重要部門。層次型路由協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種能量有效的路由協(xié)議，這類協(xié)議將所有的節(jié)點(diǎn)分為若干簇，每個(gè)簇選舉一個(gè)首領(lǐng)(又稱簇頭)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集信息發(fā)送給簇頭，由簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后將信息轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)。這樣能夠減少數(shù)據(jù)通信量，由于大部分節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間關(guān)閉通信模塊，所以能夠顯著延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存期。LEACH、PAGASIS、TEEN和DEEC都屬于這類協(xié)議。本文通過(guò)定量分析節(jié)點(diǎn)能耗，建立了節(jié)點(diǎn)的能耗模型，分析出了造成LEACH網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間能耗不均的原因，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方法。本文首先介紹了研究背景；然后剖析了LEACH協(xié)議并找出了造成能耗不均的原因；提出了LB-LEACH協(xié)議；并對(duì)所提出協(xié)議進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)及分析；最后進(jìn)行總結(jié)并對(duì)未來(lái)工作進(jìn)行展望。1節(jié)點(diǎn)間通信的信號(hào)解析Low-energyAdaptiveClusteringHierarchy(LEACH)是層次型路由協(xié)議的代表，是一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴?。它的研究基于以下前提?1)所有節(jié)點(diǎn)同構(gòu)且能量自持；(2)所有節(jié)點(diǎn)都能直接與Sink通信；(3)節(jié)點(diǎn)能夠控制發(fā)送能量，并能夠支持多種不同的MAC協(xié)議；(4)節(jié)點(diǎn)間的通信是對(duì)稱的：A發(fā)信息給B與B發(fā)信息給A需要消耗相同的能量。LEACH的執(zhí)行是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。在簇的建立階段，相鄰節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地成簇，用以下方式隨機(jī)產(chǎn)生簇頭(clusterhead,CH)：節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于閾值T(n)，則廣播自己是簇頭的ADV消息，T(n)的計(jì)算公式如下式中：P——成為CH的概率，r——現(xiàn)在的輪數(shù)，G——在過(guò)去的(rmod1/P)輪中還沒(méi)有做過(guò)CH的節(jié)點(diǎn)集合。非簇頭節(jié)點(diǎn)(clustermember,CM)收到消息后根據(jù)自己與CH之間的距離或收到廣播的先后順序來(lái)選擇加入哪個(gè)簇，并發(fā)送加入簇請(qǐng)求給CH。當(dāng)CH接收完加入請(qǐng)求后，就產(chǎn)生一個(gè)TDMA定時(shí)信息連同本簇內(nèi)使用的CDMA編碼一起發(fā)送給所有CM，簇建立階段完成。在數(shù)據(jù)通信階段，CM在自己的TDMA時(shí)槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包給CH,CH收集齊CM的數(shù)據(jù)包后，運(yùn)用數(shù)據(jù)融合算法處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。圖1是LEACH的運(yùn)行過(guò)程圖。2信號(hào)放大器內(nèi)消耗的能量LEACH采用的是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常采用的一階無(wú)線模式，其能耗模型如圖2所示。在這種模式下，節(jié)點(diǎn)發(fā)送k比特的數(shù)據(jù)消耗的能量為其中：Eelec——電路消耗的能量，d——發(fā)送者與接收者的距離，d<d0時(shí)r=2,d≥d0或干擾較大時(shí)r=4。是在信號(hào)放大器內(nèi)消耗的能量比例系數(shù)，隨著d變化，取不同值：d<d0時(shí)取。接收K比特的數(shù)據(jù)需要的能量為2.2簇間節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不均衡假設(shè)節(jié)點(diǎn)總數(shù)是，均勻分布在的區(qū)域內(nèi)，本輪中CH的個(gè)數(shù)為，則平均每個(gè)簇中的CM個(gè)數(shù)為，每個(gè)CM節(jié)點(diǎn)在一個(gè)內(nèi)采集發(fā)送的數(shù)據(jù)為比特。融合1比特?cái)?shù)據(jù)消耗的能量為EDA，數(shù)據(jù)融合的比例為:1。那么在一個(gè)frame中，CH消耗的能量為(7)式推導(dǎo)可參見文獻(xiàn)。根據(jù)(7)式以及LEACH的實(shí)驗(yàn)證明，簇頭占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的5%時(shí)為最優(yōu)，也就是說(shuō)每個(gè)簇中CM與CH之比為19:1時(shí)最優(yōu)。當(dāng)然，這是在理想狀態(tài)下。實(shí)際情況是，LEACH協(xié)議由于CH分布的不均衡，造成了簇與簇之間節(jié)點(diǎn)數(shù)量的嚴(yán)重不均衡，文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。為便于比較，取一輪運(yùn)行中兩個(gè)簇進(jìn)行研究，假設(shè)兩個(gè)簇頭標(biāo)識(shí)CHID分別為i、j，簇中CM個(gè)數(shù)為，則兩個(gè)簇的frame大小之比為。設(shè)一輪的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為，每個(gè)CM分配的時(shí)槽長(zhǎng)度是，則由(5)式得，在一輪內(nèi)，簇i中一個(gè)CM節(jié)點(diǎn)消耗的能量為由式(8)可知，i和j中的與各自CH距離相同的CM節(jié)點(diǎn)在一輪內(nèi)消耗能量之比為:，也就是說(shuō)簇內(nèi)CM數(shù)目越少，在這一輪內(nèi)CM消耗的能量越多，因?yàn)椴杉约鞍l(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)要多。LEACH的實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明，簇與簇間的CM數(shù)大多分布不均衡，經(jīng)常出現(xiàn)最小簇內(nèi)CM個(gè)數(shù)小于10而最大簇內(nèi)CM個(gè)數(shù)大于30的情況，這樣兩簇內(nèi)CM能耗之比大于3:1。由(4)式可得，簇頭i在一輪內(nèi)消耗的能量為由(9)可知，CH消耗的能量取決于兩個(gè)因素：(1)CH與Sink之間的距離，CH距離Sink越遠(yuǎn)，消耗的能量越多；(2)簇中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，簇中節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，CH消耗的能量越少。綜合以上因素可以看出，簇間節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不均衡以及地理位置的差異造成了節(jié)點(diǎn)能耗不均衡。能量消耗不均衡造成一些節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡，使網(wǎng)絡(luò)中總的節(jié)點(diǎn)數(shù)減少，由式(8)和式(9)可知，這樣將進(jìn)一步加速了剩余節(jié)點(diǎn)的死亡。3基于adv的分簇過(guò)程由于LEACH采用輪轉(zhuǎn)法選舉簇首，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要做CH，在節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)的情況下，與基站的距離這方面的差異無(wú)法彌補(bǔ)?；谏鲜龇治?，本文提出了負(fù)載平衡LEACH協(xié)議(即LB-LEACH)，它的提出基于如下兩個(gè)原則：(1)盡量保證簇間節(jié)點(diǎn)數(shù)量的平衡；(2)在(1)的前提下，若簇間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量未能達(dá)到均衡，則要使距離Sink較遠(yuǎn)的簇有較多的節(jié)點(diǎn)，這樣處理的目的一是使距離Sink較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)在做CM期間盡量少的消耗能量，二是減少距Sink較遠(yuǎn)的CH節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送，從而減少能耗。LB-LEACH是在原有LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上對(duì)分簇機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，將分簇階段分為多個(gè)時(shí)槽，時(shí)槽長(zhǎng)度能夠保證完成規(guī)定的工作。新協(xié)議定義了邊界節(jié)點(diǎn)，使它們有選擇性地加入簇，來(lái)達(dá)到均衡簇間節(jié)點(diǎn)數(shù)量的目的；改進(jìn)后的協(xié)議分簇更加均衡，在無(wú)法保證分簇絕對(duì)均衡的情況下，使距離Sink較遠(yuǎn)的簇的CM個(gè)數(shù)較多，這樣可以調(diào)整與Sink距離不同的簇的能耗，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。記本輪運(yùn)行中CH的集合為CH＿SET，首先做如下定義：定義1在分簇過(guò)程中，CM節(jié)點(diǎn)只收到一個(gè)CH節(jié)點(diǎn)的ADV廣播信息，或收到多個(gè)CH節(jié)點(diǎn)的ADV信息，但其中一個(gè)信息的信號(hào)強(qiáng)度明顯強(qiáng)于其它信號(hào)，稱此CM節(jié)點(diǎn)(記作i)是這個(gè)CH節(jié)點(diǎn)(記作J)的內(nèi)核節(jié)點(diǎn)，記做i∈Core＿SET(J)(J∈CH＿SET)。定義2在分簇過(guò)程中，CM節(jié)點(diǎn)收到兩個(gè)或兩個(gè)以上CH節(jié)點(diǎn)的ADV廣播信息，且其中兩個(gè)或多個(gè)信息的信號(hào)強(qiáng)度相差不大，則從中選取信號(hào)強(qiáng)度最大的兩個(gè)J和K，若為信號(hào)強(qiáng)度，Esignal(J)為較小者)稱這個(gè)CM節(jié)點(diǎn)i是CH節(jié)點(diǎn)J和K的邊界節(jié)點(diǎn)，記做i∈Border＿SET(J)，i∈Border＿SET(K)(J,K∈CH＿SET)。其中為能量閾值，它的值取決于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的分布密度。否則記為：i∈Core＿SET(K)(K∈CH＿SET)。新協(xié)議對(duì)LEACH協(xié)議的分簇過(guò)程進(jìn)行了細(xì)化，將分簇過(guò)程分為多個(gè)時(shí)槽，圖3是LB-LEACH協(xié)議的執(zhí)行過(guò)程圖。LB-LEACH協(xié)議工作過(guò)程如下：(1)Tslot：一輪開始，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生間的隨機(jī)數(shù)，并與T(n)比較，若小于T(n)則以相同的能量Ebroadcast廣播ADV信息宣布自己是CH。對(duì)于CM節(jié)點(diǎn)i，若i∈Core＿SET(J)(J∈CH＿SET)，那么i根據(jù)收到廣播信號(hào)的強(qiáng)度選擇一個(gè)保證能夠到達(dá)J的發(fā)射強(qiáng)度向J發(fā)送Join-Request加入信息。若i∈Border＿SET(J)且i∈Border＿SET(K)，說(shuō)明i是簇J和K的邊界節(jié)點(diǎn)，則i節(jié)點(diǎn)暫不發(fā)送信息。(2)Sslot:i∈Core＿SET(J)(J∈CH＿SET)sleep()。CH計(jì)算已經(jīng)申請(qǐng)加入的CM節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)count(CHID)，并以Ebroadcast的強(qiáng)度廣播一個(gè)信息，該信息中包含<CHID,count(CHID),dtoBS>。邊界節(jié)點(diǎn)i收到兩個(gè)或多個(gè)廣播后進(jìn)行以下處理：(1)計(jì)算收到兩信息的信號(hào)強(qiáng)度之比，與能量閾值進(jìn)行比較，若仍滿足i∈Border＿SET(J)且i∈Border＿SET(K)則轉(zhuǎn)(2)；若根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算i不再是邊界節(jié)點(diǎn)，則i選擇信號(hào)最強(qiáng)的簇發(fā)送加入信息，等待W時(shí)槽來(lái)臨；(2)設(shè)count(J)≥count(K)，若count(J)-count(K)≥，則向K發(fā)送加入信息；count(J)-count(K)<，則比較兩者到BS的距離dtoBS，選擇距離Sink較遠(yuǎn)的CH加入。其中為閾值，一般設(shè)定(4)DataTransmission:CM節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息并在分配給自己的時(shí)槽內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送給CH,CH節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。一輪執(zhí)行完之后，又重新按該算法進(jìn)行分簇及傳送。新協(xié)議對(duì)原有LEACH協(xié)議的分簇過(guò)程進(jìn)行了分解，分解后的分簇過(guò)程分為多個(gè)時(shí)槽，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有自己參與的時(shí)槽內(nèi)進(jìn)行睡眠，減少不必要的能耗。通過(guò)兩次計(jì)算來(lái)確定節(jié)點(diǎn)是否是邊界節(jié)點(diǎn)能夠排除外界有干擾的情況，提高精確度。新協(xié)議在能耗上只比LEACH多了CH廣播一次短信息包的能耗，達(dá)到了平衡簇間節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)減少能耗的目的，而多出的這個(gè)能耗相對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送階段的能耗完全可以忽略不計(jì)。協(xié)議中的取值由節(jié)點(diǎn)的分布情況以及覆蓋區(qū)域而定，這個(gè)值可以在布置節(jié)點(diǎn)時(shí)預(yù)先設(shè)定，也可以節(jié)點(diǎn)確定位置之后由Sink節(jié)點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)最優(yōu)值以廣播的形式發(fā)送給節(jié)點(diǎn)。4網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間使用OMNET++3.2P1作為仿真工具，這是一款面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真軟件。仿真平臺(tái)在Windows下搭建，使用的是.NET+TCL/Tk的方式。實(shí)驗(yàn)中Node以及Sink采用簡(jiǎn)單組件，而LEACH以及LB-LEACH場(chǎng)景采用的是由Node和Sink組成的復(fù)合組件。實(shí)驗(yàn)在100*100的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布了100個(gè)Node節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的通信范圍為100，假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能計(jì)算出自己與Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離，這在實(shí)際應(yīng)用中可以使用GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。LB-LEACH中取80%，而信號(hào)強(qiáng)度之比用距離平方的反比來(lái)表示。Sink節(jié)點(diǎn)在(50,10)的位置。在上述環(huán)境中對(duì)LEACH以及LB-LEACH做了對(duì)比仿真。采用一半節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槿艟W(wǎng)絡(luò)中一半節(jié)點(diǎn)死亡，剩余節(jié)點(diǎn)的能量已經(jīng)很低，而網(wǎng)絡(luò)的連通度也無(wú)法有效保證。網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的對(duì)比如圖4所示。LB-LEACH下的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為11315s，而LEACH的則為9621s，說(shuō)明LB-LEACH在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命上性能要優(yōu)于LEACH;LB-LEACH第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間為3420s，晚于LEACH中的2568s，這也說(shuō)明了均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)避免節(jié)點(diǎn)的早死有一定作用。圖5說(shuō)明了Sink節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包的情況以及網(wǎng)絡(luò)的能耗，由圖可知，LB-LEACH和LEACH在相同工作時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包基本相同，而在生存時(shí)間內(nèi)，LB-LEACH發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)為30815個(gè)，而LEACH發(fā)送了26440個(gè)。而在同一時(shí)間內(nèi)，LB-LEACH的能耗要小于LEACH的能耗。仿真實(shí)驗(yàn)證明，LB-LEACH的生存時(shí)間比LEACH提高了17.61%，而發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)比LEACH提高了16.55%，且LB-LEACH首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間也晚于LEACH，這些數(shù)據(jù)說(shuō)明LB-LEACH要優(yōu)于LEACHㄢ5基于lb-le所有權(quán)的算法本文通過(guò)建立節(jié)點(diǎn)的能耗模型，對(duì)簇中節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行了定量分析，找出了LEACH中造成網(wǎng)絡(luò)中能耗分布不均衡以及節(jié)點(diǎn)早死的原因，并針對(duì)這些不足對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了LB-LEACH協(xié)議。新協(xié)議定義了邊界節(jié)點(diǎn)和內(nèi)核節(jié)點(diǎn)，通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)的選擇入簇實(shí)現(xiàn)了均衡分簇，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗更加均衡。OMNET++的實(shí)驗(yàn)證明，LB-LEACH在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期、增加發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)以及避免節(jié)點(diǎn)早死方面具有較好的效果，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的負(fù)