引言
無線傳感器網絡是近年來信息技術領域的一個研究熱點,它融合了傳感器、計算機科學、信號與信息處理、通信等多個領域的技術。作為一個新興的、正在發(fā)展的技術領域,業(yè)界對其研究正在不斷深入。無線傳感器網絡為人類與客觀物理世界的交互提供了一種新的有效手段,它的諸多特點使其應用范圍涉及軍事應用、工業(yè)監(jiān)視與控制、醫(yī)療監(jiān)護、智能家居、物流管理、消費電子等諸多領域,具有廣闊的市場及產業(yè)前景。2003 年8 月,美國《商業(yè)周刊》的技術*論將無線傳感網絡定位成21 世紀高技術領域的四大支柱型產業(yè)之一。
在無線傳感器網絡中,能量有效性是網絡性能的一個重要指標。它對能源消耗有著很嚴格的限制,應盡可能少地消耗能量以達到延長網絡生命周期的目的。因此,設計一種良好的路由協議,減少不必要的能源消耗是非常必要的。本文主要探討了低能量自適應聚類協議(LEACH),指出了LEACH 協議存在的缺陷,并給出相應的解決方案加以優(yōu)化。
1 經典LEACH 協議分析
1.1 算法描述
LEAC(Low-Energy Adaptive CluSTering Hierarchy)協議是針對無線傳感網絡設計的一種低功耗自適應分層路由算法,是最早提出的分簇路由協議。它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點,其他各節(jié)點根據接收到的來自簇頭的信號強度進行集群分組,使得整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中,從而降低網絡能源消耗,提高網絡整體生存時間。
LEACH 協議定義了“輪”的概念,每一輪由簇的建立和穩(wěn)定狀態(tài)階段組成。在簇的建立階段,首批簇頭的選取是隨機的。對于一個節(jié)點n 而言,為其隨機選取一個在0 到1 之間的隨機數,若這個數字小于一個門限值T(n),則節(jié)點n 就成為本輪的簇頭節(jié)點。門限T(n)定義如下:
其中,P 是網絡中簇頭節(jié)點占總節(jié)點數目的百分比;r 是當前的輪數;G 是在前1/P 輪中沒有擔當過簇頭節(jié)點的節(jié)點集合;符號mod 是求模運算符號。
簇頭節(jié)點選定后,向周圍廣播自己成為簇頭的信息(ADV),非簇頭節(jié)點根據接收到的信號強度來決定從屬的簇類。當簇頭收到反饋消息后,便為簇內節(jié)點分配時隙(基于TDMA 方式)。在穩(wěn)定階段,簇內節(jié)點在自己時隙到來時刻向簇頭發(fā)送檢測數據,簇頭節(jié)點則將接收到的數據后進行必要的融合后傳送到基站或匯聚節(jié)點。經過一段時間的數據傳送后,網絡重新進行簇的建立階段,進行下一輪的簇重建,如此循環(huán)。
1.2 LEACH 算法的局限性
LEACH 算法將負載均勻地分布在整個網絡上,大大節(jié)約了通信過程中的能量損耗。簇頭位置的輪換算法把遠距離通信的負載輪流分配給網絡節(jié)點,可以延長整個系統的生存時間。另外,簇頭節(jié)點在處理數據時用到了數據融合和數據壓縮技術,使得傳輸的數據量大大減小。但LEACH 算法同時也存在著許多不足之處:
(1)簇頭選擇問題 。LEACH 協議的簇頭是隨機產生的,選擇機制中沒有考慮節(jié)點的剩余能量和節(jié)點已經做過簇頭的次數。一旦所剩能量較少的節(jié)點成為簇頭,將會很快耗盡其能量,過早死亡。其簇內成員也將因收不到已死簇頭發(fā)出的信息而不斷地發(fā)送請求信號,耗費大量的能量而導致加速死亡,降低了整個網絡的生存時間。
(2)簇頭數量問題。在 LEACH 協議隨機選擇簇頭的機制中,并沒有控制簇頭的數量。所以很有可能在某一輪中出現只產生一兩個簇頭,或產生很多簇頭的情況。若簇頭過少,則成員節(jié)點要經過很長的路徑與簇頭進行通信,簇頭也將接收大量節(jié)點的信息并向基站進行轉發(fā)。因此對每一個節(jié)點來說都負擔過重;而若產生過多簇頭,則會有過多的節(jié)點與基站通信,降低了網絡能量的利用率。
(3)簇頭分布問題。 LEACH 協議中,雖然在統計上簇頭是均勻分布的,但是由于簇頭產生的隨機性,可能會出現部分區(qū)域簇頭密度大,部分區(qū)域簇頭稀少的現象。
2 LEACH 算法的優(yōu)化
上述LEACH 算法中的不足,導致了無線傳感器網絡負載能量不均衡。本文主要通過改進簇頭節(jié)點選舉算法來對LEACH 協議進行優(yōu)化。主要目標是避免能量低的節(jié)點成為簇頭,控制簇頭數量達到最優(yōu),減少簇頭在每輪中分布不均的現象。從而達到降低系統能量消耗,延長網絡生命周期的最終目的。
2.1 簇頭選舉機制的算法改進
對于簇頭選舉的改進協議,在文獻[6]中將其閾值作了改進:
2.2 改進算法的具體實現
算法進行優(yōu)化后詳細描述如下。
1)在簇的建立階段,簇頭由所有節(jié)點自主決定,在每一輪中自行生成k 個簇。k 的值由(4)式決定。
2)將每個節(jié)點的剩余能量與上一輪中預計的當前網絡平均能量進行比較,若剩余能量大于網絡的當前平均能量,則有資格成為簇頭候選節(jié)點;否則只能等待簇頭廣播簇類信息。
3)能量大于當前網絡平均能量的節(jié)點,判斷自己生成的隨機數是否小于門限值T(n)(即上文中已作改進的(3)式),若小于則成為簇頭節(jié)點;若大于門限值則為成員節(jié)點,等待簇頭發(fā)送告知信息 。至此,簇頭的選舉階段完成。
4)成為簇頭的節(jié)點,要以一定的功率發(fā)送簇頭告知信息,但不是全網廣播。該消息只包括簇頭節(jié)點的ID 和消息標識符。在此之后簇頭將等待簇成員的加入信息。
5)成員節(jié)點根據接收到的ADV 消息的信號強弱來選擇一個信號強的簇頭節(jié)點,并向其發(fā)送一個請求加入的消息,該消息只包括節(jié)點的ID 和簇頭節(jié)點的ID。
6)簇頭花費一定時間來等待接收成員節(jié)點的加入簇信息,之后將停止接收并根據所收到的信息數量來安排簇內節(jié)點發(fā)送消息的TDMA 時隙。簇頭將TDMA 時隙以最小功率發(fā)送給簇內成員,以確保成員節(jié)點與簇頭節(jié)點通信時不會產生沖突。這樣網絡中某一輪的簇就已建立起來。圖1 為改進后的簇建立階段算法流程圖。
7) 簇建立好后,開始進行數據的傳輸階段。每個節(jié)點按照既定規(guī)則在自己的 TDMA 時隙內發(fā)送收集到的信息。基站在收到各個簇頭發(fā)送來的整合信息后,分析傳感到的數據并反應到上層人機交流界面上。根據信息中包含的簇頭和節(jié)點的ID 以及其發(fā)送信息時的功率強度,估計下一輪發(fā)送消息時網絡中節(jié)點的平均能量,并將此信息廣播到網絡,為下一輪循環(huán)做準備。至此,本輪結束。
圖 1 改進后的簇建立階段算法流程圖
3 、算法仿真與性能分析
本文在MATLAB 環(huán)境中對改進的算法進行了仿真,通過對結果的分析,來*價該算法的性能。
圖 2 改進算法的節(jié)點分簇狀態(tài)
圖3 改進前后兩種算法的網絡節(jié)點壽命比較
設置環(huán)境為:傳感器節(jié)點總數為100,初始能量為0.5J,分布在100 m×l00 m 的正方形區(qū)域中,基站坐標位于(x,y)=(50,50)位置。處理數據的單位能耗,發(fā)送數據的單位能耗,數據融合時的能耗為5nJ/Bit/message。
圖2 為改進后算法的節(jié)點分簇狀態(tài)。圖中每一個分塊區(qū)域表示某一輪的一個簇,每個簇中都有一個小星號表示簇頭,其他的小圓圈表示成員節(jié)點??梢钥闯鰣D中簇頭分布均勻,且每個簇頭所管轄的成員節(jié)點數目及分布狀態(tài)也是均勻穩(wěn)定的。
在相同環(huán)境下,將節(jié)點總數改為200,基站坐標位于(x,y)=(50,175)位置,數據包長度為500。圖3 為改進前后兩種算法的網絡節(jié)點壽命比較。橫坐標表示網絡工作的輪數,縱坐標表示存活節(jié)點的數目
從圖中可以看出,改進后的算法節(jié)點死亡率與原算法相比,有一定的延遲。這說明本算法通過對簇頭選擇機制的優(yōu)化及簇頭數目的控制,減少了節(jié)點因能量消耗過大而過早死亡的現象,大大延長了網絡的生命周期。
4 、結語
本文針對LEACH 協議存在的幾點問題,提出了自己的優(yōu)化方案。新算法將當前剩余能量和當前網絡平均能量作為參數引入到簇頭選舉機制中去,并融入了簇頭最優(yōu)個數解決方案。在仿真實驗中,將改進前后的算法進行對比分析,結果證明本優(yōu)化方案能使節(jié)點分布更加合理,較好地均衡網絡中的能量消耗,在一定程度上延長了整個網絡的生命周期。
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