一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )分簇路由算法研究

　　隨著(zhù)微電子工藝和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)的研究越來(lái)越受到人們的重視。傳感器網(wǎng)絡(luò )(sensor network)是由部署在觀(guān)測環(huán)境附近的大量微型廉價(jià)低功耗傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式組成一個(gè)多跳的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通常部署在人無(wú)法接近或者高危險區域，且數量眾多，這使得隨時(shí)更換節點(diǎn)能量變得非常困難。在監測區域內傳感器節點(diǎn)采集的相關(guān)信息，通常攜帶一次性電池且能量有限，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數據采集后，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )存在嚴重的能量約束問(wèn)題。所以，傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的首要設計目標就是要高效地使用傳感器節點(diǎn)的能量，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的存活時(shí)間。將傳感器節點(diǎn)組織成簇的形式，以有效地減少能量消耗，許多能量高效的路由協(xié)議都是在簇結構的基礎上進(jìn)行設計的。

　　LEACH是一個(gè)典型的自適分簇協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)通過(guò)隨機方式自組織形成簇，在分配給的時(shí)隙向簇首發(fā)送數據，簇首對收到的數據融合后在每幀結束后直接與基站通信。節點(diǎn)輪流擔任簇首，均衡了網(wǎng)絡(luò )的能耗，但簇首在當選時(shí)，沒(méi)有考慮節點(diǎn)的能量高低，若節點(diǎn)能量很低，仍要擔當簇首時(shí)，會(huì )加速它死亡。另外，數據直接發(fā)送到基站，會(huì )使距基站較遠的節點(diǎn)能耗很大，導致局部節點(diǎn)提前死亡，產(chǎn)生監控盲點(diǎn)。

　　由于LEACH算法沒(méi)有考慮節點(diǎn)的剩余能量及與基站的距離等因素，很多文獻提出了相應的改進(jìn)算法，如EBAC胡是在LEACH協(xié)議的基礎上，周期性地選用當前輪剩余能量最大的節點(diǎn)擔任下一輪簇頭。LEACH-D是基于LEACH的多跳路由算法。文獻[6]提出了構建能量均衡簇群的方法，LEACH-L綜合考慮了節點(diǎn)的位置和能量的多跳路由算法。

　　本文在LEACH協(xié)議的基礎上，以降低簇頭直接和基站遠距離通信的能量損耗為首要目標，同時(shí)在二層簇頭選擇時(shí)綜合考慮了節點(diǎn)的剩余能量和基站的距離．并且改進(jìn)了簇頭間的多跳路徑，避免使用低能量的節點(diǎn)。通過(guò)Matlab仿真表明，該算法能進(jìn)一步均衡簇頭節點(diǎn)的能量消耗，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。

　　1 系統模型

　　N個(gè)傳感器節點(diǎn)隨機均勻分布在一個(gè)正方形區域內，周期性地收集周?chē)h(huán)境信息，并且具有如下性質(zhì)：

　　(1)所有傳感器節點(diǎn)部署后不再移動(dòng)，且都有1個(gè)惟一的標識ID；

　　(2)基站惟一，且位于離采集區域較遠的一個(gè)固定位置；

　　(3)所有節點(diǎn)具有相似的能力(處理／通信)，都具備數據融合功能；

　　(4)若已知對方的發(fā)射功率，節點(diǎn)可以根據接收信號的強度計算出發(fā)送方離它的近似距離；

　　(5)節點(diǎn)的能量不能補充，節點(diǎn)的發(fā)射功率可控。

　　這里采用與文獻[2]相同的無(wú)線(xiàn)通信模型：根據距離閾值d0，分別采用自由空間模型和多路衰減模型。發(fā)送方發(fā)送k比特的數據到距離為d的接收方所消耗的能量為：