無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議的研究

無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議的研究

摘要在無線傳感器網絡中，與平面路由協(xié)議相比分簇路由協(xié)議具有一定優(yōu)勢。本文以LEACH協(xié)議為例，對分簇路由協(xié)議進行了分析。LEACH協(xié)議是單跳同構網絡協(xié)議，本文通過對比單跳網絡和多跳網絡的能量消耗，說明多跳網絡更節(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LEACH協(xié)議進行補充，表明在LEACH協(xié)議中采用多跳路由理論的優(yōu)勢。

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

無線傳感器網絡路由協(xié)議按照最終形成的拓撲結構，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)點的地位是平等的，可擴充性比較差，維護動態(tài)變化的路由需要大量的控制信息。在層次結構的網絡中，群成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息。這大大減少了網絡中路由控制信息的數量，具有很好的可擴充性。同其它通信網絡一樣，傳感器網絡的主要設計屬性之一是可擴展性。隨著傳感器節(jié)點密度的增加，單層網絡可能會引起網關節(jié)點負載過重。這種過重負載可能會引起通信延遲和不能及時跟蹤監(jiān)測事件。另外，對于覆蓋更大區(qū)域的大規(guī)模傳感器網絡，由于傳感器節(jié)點不支持長距離通信，單層網絡結構將是不可擴展的。為了使系統(tǒng)能夠在不降低服務質量的情況下處理額外的負責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絡。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[2]：

（1）分簇式路由協(xié)議消耗能量少且能量消耗分布均勻，能有效的延長網絡壽命，平衡網絡負載。

（2）分簇式路由協(xié)議是基于某種簇形成策略，選舉產生一個較為穩(wěn)定的子網絡，從而減少了拓撲結構變化對路由協(xié)議帶來的影響。

（3）簇頭節(jié)點對所在簇內的節(jié)點進行管理，能方便地向基站傳達節(jié)點的各種信息，例如能量、安全性、故障等。另外基站通過頭節(jié)點可以有效地向網絡中其他節(jié)點發(fā)送命令，這是平面路由所不能有效實現(xiàn)的。2LEACH協(xié)議

分簇結構的簇首的選舉是基于傳感器節(jié)點的能量儲備情況。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)議獨立于LEACH協(xié)議而單獨開發(fā)的，但大多數層次路由協(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)議的這個模式基于以下假設：

（1）網絡里所有節(jié)點完全相同并且能量非常有限。

（2）無線電信號在各個方向上能量消耗相同。

（3）匯聚節(jié)點（基站）是固定的，并且離整個無線傳感器網絡較遠。

傳感器節(jié)點發(fā)送kbit數據所消耗的能量為：傳感器節(jié)點接收kbit數據所消耗的能量為：：3.2多跳網絡能量分析

在多跳路由協(xié)議中，節(jié)點能耗與距離的關系可表示為：：其中D是離基站最遠的節(jié)點與基站的距離，K是任意一節(jié)點到基站的距離。由圖2可知，節(jié)點距離基站較近時能耗很大，距離遠時能耗少。由圖2和圖3可知，當節(jié)點之間的距離較遠時，采用多跳路由的方式傳輸數據更能節(jié)省能量，而LEACH協(xié)議的假設前提條件之一便是匯聚節(jié)點（基站）是固定的，并且離整個無線傳感器網絡較遠，所以對LEACH協(xié)議而言，采用多跳算法比較能夠節(jié)約能量。4對LEACH協(xié)議的改進

多跳通信能夠節(jié)約能量，提高網絡的負載均衡。源節(jié)點通過將數據發(fā)往鄰近的節(jié)點而不是相距很遠的簇頭，可以達到減少單個節(jié)點能耗，平衡網絡負載的作用。通過多跳路由的方式來平衡分簇結構網絡的負載，它可以有效避免某些簇頭節(jié)點因為距離基站較遠而導致過早死亡，從而延長了網絡的生命周期。這包括兩個方面，一個是簇頭節(jié)點間的多跳通信，一個是簇內普通傳感器節(jié)點的多跳通信[5]。4.1簇間采取多跳通信

在LEACH協(xié)議中，各個簇頭節(jié)點是直接與基站通信，采取一跳通信方式（或稱直接通信）。但是簇頭節(jié)點距離基站往往比較遠，遠距離的數據傳輸會大大消耗簇頭節(jié)點的能量，所以考慮簇間采取多跳通信方