無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議研究

摘要：對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )經(jīng)典的LEACH路由算法作了分析，提出了一種改進(jìn)型算法。通過(guò)仿真，改進(jìn)后的LEACH算法提高了傳感器網(wǎng)絡(luò )的能效，延長(cháng)了系統的工作壽命。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器；路由協(xié)議；LEACH

0 引言
傳感器網(wǎng)絡(luò )通常由覆蓋一個(gè)地區的若干傳感器節點(diǎn)組成。每個(gè)傳感器節點(diǎn)獨立進(jìn)行數據收集及處理，并將得到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接傳送到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送。對于傳感器網(wǎng)絡(luò )，路由協(xié)議設計是很具挑戰性的。首先，節點(diǎn)沒(méi)有全球唯一的標識符，傳統的互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議無(wú)法應用在傳感器網(wǎng)絡(luò )中；第二，傳感器網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都是源節點(diǎn)，向唯一的目的節點(diǎn)Sink發(fā)送數據；第三，由于在被測對象內部或附近部署了大量的節點(diǎn)，它們采集到的數據是相同或相近的。這就需要路由協(xié)議具有數據融合力，以節約電能，提高帶寬利用率；第四，節點(diǎn)具備處理能力。節點(diǎn)的電能存儲能力是很有限的，需要強大的資源管理和任務(wù)調度能力。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議是與傳統網(wǎng)絡(luò )截然不同的。

1 LEACH協(xié)議
簇的建立和簇頭特定任務(wù)的分配對于整個(gè)系統的可擴展性、壽命和能量效率起著(zhù)非常大的作用。聚類(lèi)路由是降低簇中能量消耗的一種有效方式。LEACH(Low-Energy Adaptive Cluster-based Hierarchy)算法是最早的比較成熟的聚類(lèi)路由算法。
LEACH協(xié)議的隨機簇頭選擇分布不均勻，而且LEACH協(xié)議是根據節點(diǎn)曾經(jīng)擔當簇頭的次數來(lái)決定是否擔任簇頭而沒(méi)有考慮節點(diǎn)的剩余能量；同時(shí)，LEACH網(wǎng)絡(luò )協(xié)議在節點(diǎn)數量大的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中使用時(shí)會(huì )采集大量的冗余數據，這樣會(huì )使網(wǎng)絡(luò )由于處理大量的冗余數據而使網(wǎng)絡(luò )能耗大大增加，縮短了網(wǎng)絡(luò )的生存周期。
LEACH-C(LEACH-centralized)是集中式的簇頭產(chǎn)生算法，由基站負責挑選簇頭。因為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中使用節點(diǎn)數量大，節點(diǎn)覆蓋密度也大，這樣無(wú)法避免地使單個(gè)節點(diǎn)采集的數據與整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集的數據有很大的關(guān)聯(lián)性。而用戶(hù)需要的，并不是所有的節點(diǎn)采集的數據(包含冗余數據)，而只是對發(fā)生事件的描述——利用網(wǎng)絡(luò )數據集分析出的被觀(guān)測區域正在發(fā)生的事件狀況。

2 LEACH協(xié)議的改進(jìn)
可以對LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，在成簇階段(setupstate)之前，插入一個(gè)以節點(diǎn)能量為判斷標準的篩選過(guò)程，將節點(diǎn)的剩余能量與網(wǎng)絡(luò )的平均能量相比較，一旦判斷出本節點(diǎn)的能量大大的低于網(wǎng)絡(luò )的平均能量，宣布節點(diǎn)在接下來(lái)的循環(huán)進(jìn)入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來(lái)時(shí)才重新開(kāi)啟節點(diǎn)，并再次進(jìn)行篩選。同時(shí)，對成簇階段的非簇內節點(diǎn)，在接下來(lái)的循環(huán)中使其進(jìn)入休眠狀態(tài)直至新的成簇階段到來(lái)時(shí)才重新開(kāi)啟節點(diǎn)。
能耗設置方面，作了如下設置：發(fā)送節點(diǎn)的能耗包括啟動(dòng)收發(fā)機能耗和放大信號能耗；接受節點(diǎn)的能耗設置為啟動(dòng)收發(fā)機能耗。如圖1所示。

從圖1可以看出：每處理k個(gè)bit的信息，需要消耗的能量為Eelec*k，而信號放大能量需要由信號傳播的距離決定，εamp為放大系數。我們可以把距離分作兩種：信號在簇內部傳輸時(shí)，我們視其為自由空間傳輸，此時(shí)信號收發(fā)機的能耗為：為簇間傳輸距離。