WSN的一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議

引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監測區域內的大量廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能量、存儲空間、計算能力等的限制，使得傳統的無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議不適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。因此，設計能夠有效節約能量、延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期的路由協(xié)議，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)意義重大。分簇路由協(xié)議在這方面具有很好的性能。
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中第一個(gè)基于分簇的路由協(xié)議，通過(guò)周期性地隨機選舉簇首來(lái)保證節點(diǎn)有相等的機會(huì )成為簇首，均衡節點(diǎn)能量的消耗，從而達到延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期的目的。其成簇思想貫穿于其后提出的很多分簇路由協(xié)議中，如TEEN(Threshold—sensitive Energy Efficient sensor Network protoc01)、PEGASIS(Power Efficient GAthering in Sensor Information System)等。LEACH-C(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy—Centralized)是LEACH協(xié)議的一個(gè)特定版本，是一種集中式的簇首產(chǎn)生算法。在LEACH—C中，當每輪開(kāi)始時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)將自身地理位置和剩余能量等信息報告給基站，基站根據這些全局信息挑選簇首，能夠確保簇首的數量和位置最優(yōu)，性能比LEACH協(xié)議有了顯著(zhù)提高。但是，這種算法由于每次都與基站進(jìn)行交互，增加了不少的能量消耗。
針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中LEACH—C協(xié)議存在的不足，本文在對LEACH—C協(xié)議研究的基礎上提出一種基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH—EE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy—Energy Estimate)。該協(xié)議通過(guò)對能量消耗進(jìn)行估算，減少傳感器節點(diǎn)與基站的通信量，從而節約整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能耗。

1 網(wǎng)絡(luò )模型及無(wú)線(xiàn)通信能耗模型
1．1 網(wǎng)絡(luò )模型
本文假設n個(gè)傳感器節點(diǎn)隨機分布在區域A內，并且該傳感器網(wǎng)絡(luò )具有如下特性：
①網(wǎng)絡(luò )部署完畢后，所有節點(diǎn)都是靜止不動(dòng)的，節點(diǎn)能夠獲知其位置信息。
②網(wǎng)絡(luò )規模小，所有節點(diǎn)都可以直接與基站通信?；疚ㄒ磺椅恢霉潭?。
③普通節點(diǎn)能量有限，且具有相同的計算、通信能力和初始能量，而基站的能量和計算能力沒(méi)有限制。
④傳感器網(wǎng)絡(luò )是主動(dòng)型的傳感器網(wǎng)絡(luò )，負責持續監測周?chē)h(huán)境現象并以恒定速率發(fā)送數據。
⑤傳感器節點(diǎn)的數據融合比例系數為β，即ktrans=krec／β，其中krec、ktran分別表示傳感器節點(diǎn)接收到的數據包長(cháng)度和融合后形成的數據包長(cháng)度。
1．2 無(wú)線(xiàn)通信能耗模型
采用與參考文獻相同的無(wú)線(xiàn)能耗模型。發(fā)送數據時(shí)的能量消耗為：

其中，k為發(fā)送數據bit值；d為實(shí)際通信距離；d0為距離閾值，當傳輸距離小于d0時(shí)，功率放大損耗采用自由空間模式，否則采用多路徑衰減模式；Eelec表示節點(diǎn)電路發(fā)送和接收每bit數據的耗能；εfx和εamp分別表示放大器在2種衰減模型下的能耗系數。

2 基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議
本文提出的基于能量估算的集中式分簇路由協(xié)議LEACH—EE的思想如下：
①網(wǎng)絡(luò )部署完畢后，每個(gè)節點(diǎn)將自己的位置和當前能量等信息發(fā)送給基站，基站運用類(lèi)似LEACH—C的思想選擇合適的簇首并進(jìn)行簇的劃分，并給每個(gè)簇加上簇標識，如c1，c2，c3，…，cn等。最后基站將簇首、簇標識、簇結構等信息廣播出去，分簇完成。
②接著(zhù)是一輪數據傳輸的穩定階段。在這一階段，傳感器節點(diǎn)將監測數據傳輸給簇首，簇首將數據融合后加上簇標識，然后把數據傳輸給基站，基站統計每個(gè)簇發(fā)送過(guò)來(lái)的數據量。當一輪數據傳輸結束后，基站根據這輪接收到的每一個(gè)簇的數據量估算出本輪中這個(gè)簇內所有節點(diǎn)的能量剩余情況。具體如下：
假設第m(m=1，2，3，…)輪基站接收到簇標識為ci的簇的數據量為k bit，那么該簇內節點(diǎn)的能量剩余情況估算分兩種情況：
a)簇首的能量剩余。簇首的能量消耗包括以下三部分：接收簇成員節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據的能耗、融合數據需要的能耗和將融合后的數據轉發(fā)給基站的能耗。因此簇首的能耗為：

b)簇內其他成員節點(diǎn)的能量剩余情況估算。簇內其他成員節點(diǎn)的能量消耗只有發(fā)送數據時(shí)的能量消耗。由于采用的網(wǎng)絡(luò )模型中各個(gè)傳感器節點(diǎn)以恒定的速率發(fā)送數據，所以本文近似認為簇內每個(gè)成員節點(diǎn)發(fā)送的數據量是均衡的。因此，假設簇ci內有ni個(gè)成員節點(diǎn)，則該輪中每個(gè)簇內成員節點(diǎn)發(fā)送數據量k’近似為k’=k／ni。

記該簇內成員節點(diǎn)j到簇首的距離為dij(為了節省網(wǎng)絡(luò )能耗，要求dijd0)，根據能量消耗公式(1)，則該成員節點(diǎn)第m輪的數據能耗為：

這樣，一輪數據傳輸結束之后，基站可以近似估算出所有節點(diǎn)的剩余能量，并根據這些估算值重新選擇合適的簇首并進(jìn)行簇的劃分，開(kāi)始新一輪的工作。
③當間隔一定的輪數(相當長(cháng)的一段時(shí)間)，或者傳感器節點(diǎn)的能量低于一定的值，或者有新成員節點(diǎn)加入時(shí)，基站再要求傳感器節點(diǎn)匯報自己的能量等信息，并根據接收到的信息重新校正估算的各個(gè)節點(diǎn)的剩余能量，使這些數值精確，然后再重新進(jìn)行簇首的選擇和簇的劃分。
比起LEACH—C，LEACH—EE協(xié)議不需要傳感器節點(diǎn)每輪結束后向基站匯報自己的位置、能量等信息，節省了能量開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)，由于間隔一定的時(shí)間會(huì )對估算值進(jìn)行精度調整，所以L(fǎng)EACH—EE協(xié)議的性能比較好。
3 仿真及結果分析
本文使用Matlab對LEACH—EE協(xié)議進(jìn)行仿真，并和LEACH、LEACH—C協(xié)議進(jìn)行比較。仿真場(chǎng)景設置如下：100 m×100 m的區域內隨機部署50個(gè)傳感器節點(diǎn)，基站位于坐標(50，50)處，節點(diǎn)的初始能量為1 J，數據包大小為2000 bit，Eelec=50 nJ／bit，εfx=10 pJ／(bit·m2)，εamp=0．0013 pJ／(bit·m4)，d0=87．7 m，β=1000，數據融合的能耗EDA=5 nJ／bit。本文從簇首的分布位置、網(wǎng)絡(luò )總能量消耗、網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)存活數三方面對比了LEACH、LEACH—C和LEACH—EE協(xié)議，并給出了LEACH—EE協(xié)議中不同時(shí)刻能量估算的誤差圖。