無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的研究

摘要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，與平面路由協(xié)議相比分簇路由協(xié)議具有一定優(yōu)勢(shì)。本文以LEACH協(xié)議為例，對(duì)分簇路由協(xié)議進(jìn)行了分析。LEACH協(xié)議是單跳同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本文通過對(duì)比單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，說明多跳網(wǎng)絡(luò)更節(jié)能，所以從節(jié)約能量的角度出發(fā)，用多跳路由的理論對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，表明在LEACH協(xié)議中采用多跳路由理論的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵字分簇路由協(xié)議；LEACH協(xié)議；多跳路由；能量消耗1引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議按照最終形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以劃分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議[1]。在平面路由協(xié)議中，所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，可擴(kuò)充性比較差，維護(hù)動(dòng)態(tài)變化的路由需要大量的控制信息。在層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，群成員的功能比較簡(jiǎn)單，不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴(kuò)充性。同其它通信網(wǎng)絡(luò)一樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計(jì)屬性之一是可擴(kuò)展性。隨著傳感器節(jié)點(diǎn)密度的增加，單層網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)引起網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重。這種過重負(fù)載可能會(huì)引起通信延遲和不能及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)事件。另外，對(duì)于覆蓋更大區(qū)域的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)不支持長(zhǎng)距離通信，單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是不可擴(kuò)展的。為了使系統(tǒng)能夠在不降低服務(wù)質(zhì)量的情況下處理額外的負(fù)責(zé)和覆蓋更大范圍的區(qū)域，人們采用了分簇的方式組織傳感器網(wǎng)絡(luò)。分簇式路由協(xié)議與其他路由協(xié)議相比具有一定的優(yōu)勢(shì)[2]：

（1）分簇式路由協(xié)議消耗能量少且能量消耗分布均勻，能有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

（2）分簇式路由協(xié)議是基于某種簇形成策略，選舉產(chǎn)生一個(gè)較為穩(wěn)定的子網(wǎng)絡(luò)，從而減少了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對(duì)路由協(xié)議帶來的影響。

（3）簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)所在簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，能方便地向基站傳達(dá)節(jié)點(diǎn)的各種信息，例如能量、安全性、故障等。另外基站通過頭節(jié)點(diǎn)可以有效地向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，這是平面路由所不能有效實(shí)現(xiàn)的。2LEACH協(xié)議

分簇結(jié)構(gòu)的簇首的選舉是基于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量?jī)?chǔ)備情況。LEACH協(xié)議是最早被提出的層次路由協(xié)議。雖然有一些層次路由協(xié)議獨(dú)立于LEACH協(xié)議而單獨(dú)開發(fā)的，但大多數(shù)層次路由協(xié)議是收到LEACH協(xié)議的啟發(fā)。2.1LEACH算法的物理模型

在LEACH的路由算法中，使用的能量消耗公式是一階無線電模式[3]（firstorderradiomodel）。

LEACH協(xié)議的這個(gè)模式基于以下假設(shè)：

（1）網(wǎng)絡(luò)里所有節(jié)點(diǎn)完全相同并且能量非常有限。

（2）無線電信號(hào)在各個(gè)方向上能量消耗相同。

（3）匯聚節(jié)點(diǎn)（基站）是固定的，并且離整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為：傳感器節(jié)點(diǎn)接收kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為：：3.2多跳網(wǎng)絡(luò)能量分析

在多跳路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)能耗與距離的關(guān)系可表示為：：其中D是離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)與基站的距離，K是任意一節(jié)點(diǎn)到基站的距離。由圖2可知，節(jié)點(diǎn)距離基站較近時(shí)能耗很大，距離遠(yuǎn)時(shí)能耗少。由圖2和圖3可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，采用多跳路由的方式傳輸數(shù)據(jù)更能節(jié)省能量，而LEACH協(xié)議的假設(shè)前提條件之一便是匯聚節(jié)點(diǎn)（基站）是固定的，并且離整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn)，所以對(duì)LEACH協(xié)議而言，采用多跳算法比較能夠節(jié)約能量。4對(duì)LEACH協(xié)議的改進(jìn)

多跳通信能夠節(jié)約能量，提高網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。源節(jié)點(diǎn)通過將數(shù)據(jù)發(fā)往鄰近的節(jié)點(diǎn)而不是相距很遠(yuǎn)的簇頭，可以達(dá)到減少單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的作用。通過多跳路由的方式來平衡分簇結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，它可以有效避免某些簇頭節(jié)點(diǎn)因?yàn)榫嚯x基站較遠(yuǎn)而導(dǎo)致過早死亡，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。這包括兩個(gè)方面，一個(gè)是簇頭節(jié)點(diǎn)間的多跳通信，一個(gè)是簇內(nèi)普通傳感器節(jié)點(diǎn)的多跳通信[5]。4.1簇間采取多跳通信

在LEACH協(xié)議中，各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)是直接與基站通信，采取一跳通信方式（或稱直接通信）。但是簇頭節(jié)點(diǎn)距離基站往往比較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)大大消耗簇頭節(jié)點(diǎn)的能量，所以考慮簇間采取多跳通信方