摘 要： 無線傳感器網(wǎng)絡是當今信息領域研究的熱點，數(shù)據(jù)融合和路由是無線傳感器網(wǎng)絡的重要技術。本文根據(jù)分層結構的傳感器網(wǎng)絡，提出一種基于LEACH路由協(xié)議的多級數(shù)據(jù)融合技術，該技術能保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，?jié)省了傳感器節(jié)點的能量，延長了網(wǎng)絡的生命周期，并通過理論分析和仿真結果加以了驗證。
　　關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)融合 LEACH協(xié)議
　　
　　1.引言
　　隨著無線通信技術、微型制造技術，以及電池技術的快速發(fā)展，微小的傳感器已具備感應、無線通信，以及信息處理能力。無線傳感器網(wǎng)絡有廣闊的應用前景，能廣泛用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探索及各種商業(yè)應用。
　　數(shù)據(jù)融合是無線傳感器網(wǎng)絡中非常重要的一項技術，也是目前的一個研究熱點。該技術通過一定的算法將傳感器節(jié)點采集的大量原始數(shù)據(jù)進行各種網(wǎng)內(nèi)處理，去除其中的冗余信息，只將少量的有意義的處理結果傳輸給匯聚節(jié)點。數(shù)據(jù)融合技術能有效地減少網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸量［１］。本文基于分層結構傳感器網(wǎng)絡的LEACH協(xié)議，提出一直多級數(shù)據(jù)融合技術，該協(xié)議能保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行?，?jié)省了傳感器節(jié)點的能量，延長了網(wǎng)絡的生命周期，并通過理論分析和仿真結果加以了驗證。
　　2.LEACH協(xié)議
　　LEACH［2］是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網(wǎng)絡設計的低功耗自適應分簇路由協(xié)議。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)簇類算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡生命周期延長15%。LEACH定義了輪（round）的概念，其執(zhí)行過程是周期的，每輪循環(huán)分為簇的建立和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。為避免額外的處理開銷，穩(wěn)定工作狀態(tài)一般持續(xù)的時間相對較長。在初始化簇建立階段，簇頭通過如下機制產(chǎn)生。每個節(jié)點生成0—1之間的隨機數(shù)，若某節(jié)點產(chǎn)生的隨機數(shù)大于閾值T（n），則該節(jié)點當選為簇頭。T（n）的計算方法如下：
　　If n∈G，T（n），
　　Otherwise，T（n）=0
　　其中，P為節(jié)點中已當選為簇頭的百分數(shù)，r是當前的輪數(shù)，G是在過去的1/P輪沒有被選為簇頭的節(jié)點集合。
　　3.基于LEACH的多數(shù)據(jù)融合技術
　　3.1分層結構的無線傳感器網(wǎng)絡
　　圖1給出分層分簇結構的無線傳感器網(wǎng)絡模型。整個網(wǎng)絡由基站即Command node或sink節(jié)點、傳感器節(jié)點（包括sensor node和cluster head）組成。網(wǎng)絡中的節(jié)點以自組織的方式進行組網(wǎng)通信，簇內(nèi)的同層普通節(jié)點之間不可進行通信，但簇間的各個簇頭節(jié)點可以進行通信；底層節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集，高層節(jié)點進行必要的數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉發(fā)。
　　線傳感器網(wǎng)絡結構
　　3.2基于LEACH的多級數(shù)據(jù)融合技術的執(zhí)行過程
　　對于分層分簇型結構的無線傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合技術的實現(xiàn)是基于簇頭之間的層次性數(shù)據(jù)的處理。無線傳感器網(wǎng)絡首先初始化成大量的簇，再在簇頭節(jié)點之間形成反向多播融合樹。網(wǎng)絡底層的數(shù)據(jù)源節(jié)點感測到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至它所在簇的簇頭節(jié)點，在簇頭節(jié)點進行融合處理后，再經(jīng)過反向多播融合樹的融合處理轉發(fā)給更高層簇頭，高層簇頭節(jié)點繼續(xù)進行數(shù)據(jù)融合處理直至數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，最后由匯聚節(jié)點進行數(shù)據(jù)的融合處理。如此形成的數(shù)據(jù)傳輸方式稱為多級數(shù)據(jù)融合技術。
　　假設初始化過程是在配置網(wǎng)絡的時候隨機確定的，簇頭與簇的形成均預先確定，經(jīng)過一輪的通信完成后，協(xié)議再按照LEACH的執(zhí)行過程進行數(shù)據(jù)傳輸，具體運行步驟如下。
　?。?）簇頭候選節(jié)點發(fā)送消息到基站請求當選簇頭，基站（Command node）接收后反饋消息進行確認。
　?。?）已當選為簇頭的節(jié)點廣播消息，以便周圍節(jié)點知道其已成為簇頭，方便它們選擇合適的簇加入。
　?。?）簇的形成過程：當某一傳感器節(jié)點請求加入新的簇中時，相關的兩個簇頭進行秘密會話，以驗證節(jié)點確定其加入與否。
　　（4）簇頭與簇均確定后，簇頭將為每一個簇成員分配時隙以便數(shù)據(jù)的及時接收。
　?。?）簇頭接收簇成員傳送的信息后，進行必要的數(shù)據(jù)融合處理后傳送到高層的簇頭節(jié)點。
　?。?）高層簇頭節(jié)點對底層的簇頭節(jié)點傳輸過來的信息進行數(shù)據(jù)融合處理，直至數(shù)據(jù)傳輸?shù)交净騾R聚節(jié)點。
　?。?）基站發(fā)動新一輪的消息傳輸，網(wǎng)絡進入下一循環(huán)，要求簇頭再次選擇并重新組建新的簇和不同層次的網(wǎng)絡分簇結構。
　　4.系統(tǒng)仿真分析及性能評價
　　利用OMNET++（Objective Modular Network Testbed in C++）對本文所述的包涵多級數(shù)據(jù)融合處理的LEACH議進行了模擬仿真。實驗從能量有效性方面與基于第三方可信的密鑰分發(fā)系統(tǒng)KDC（Key Distribution Center）的Kerberos協(xié)議進行了分析比較。仿真時定義傳感器節(jié)點個數(shù)為1000個，節(jié)點形成簇的個數(shù)為10個。
　　實驗結果表明，Kerberos協(xié)議的平均能耗處于mJ量級。從圖2可以看出其大部分節(jié)點的能耗均在1.0—3.0mJ范圍，可見這對于節(jié)點能量相當受限的傳感器節(jié)點來說，消耗是很大的。
　　圖3 多級數(shù)據(jù)融合處理的LEACH協(xié)議平均能耗
　　圖3表明網(wǎng)絡中節(jié)點的平均能耗在50uJ以下。本文協(xié)議利用多級數(shù)據(jù)融合處理的所有節(jié)點平均能耗為uJ量級。這一結論在實際應用中是相當可觀的。
　　5.結論與展望
　　本文主要分析了一種基于LEACH的多級數(shù)據(jù)融合算法。源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)中間簇頭節(jié)點轉發(fā)時，中間簇頭節(jié)點查看數(shù)據(jù)包的內(nèi)容并進行相應的數(shù)據(jù)融合后傳送到高層的簇頭節(jié)點，如此一級一級傳送下去直至的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合。該結構在一定程度上提高了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集的整體效率，減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。同時，數(shù)據(jù)的傳輸主要基于LEACH協(xié)議，該分簇路由協(xié)議更符合無線傳感器網(wǎng)絡基于數(shù)據(jù)的路由需求。兩者結合能很好地簡化對網(wǎng)絡的查詢，降低網(wǎng)絡節(jié)點的平均能耗。
　　
　　參考文獻：
　?。?］S.Avancha，J.L.Undercoffer，A.Joshi，and J.Pinkston.Secure sensor networks for perimeter protection.Computer Networks，November 2003，43（4）：421-435.
　　［2］W.R.Heinzelman，A.Chandrakasan，and H.Balakrishnan，，Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks，Proc.of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences（HICSS），Jan.2000：3005-3014.
　?。?］Gaurav Jolly，Mustafa C.Kukate，A Low-Energy Key Management Protocol for Wireless Sensor Networks，in：Proceedings of the Eighth IEEE International Symposium on Computers and Communication （ISCC’03）.Turkey：July 2003，（1）：335-340.
　　
　　基金項目：桂林航天工業(yè)高等專科學校，青年科技基金項目資助，X10Q024。