段圓圓，陳桂芬

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

隨著微電子技術(shù)，無線通信與傳感技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的的廣泛關(guān)注［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的微型傳感器節(jié)點組成［2］，然而這些傳感器節(jié)點能量和生存周期均有限，節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力和通信范圍同樣有局限性［3］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般部署于惡劣的環(huán)境之中，節(jié)點一旦失效網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用便受到限制［4］。因此如何減少節(jié)點的能量消耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期，一直是研究的熱點問題［5］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以在傳感器節(jié)點和基站之間建立高效的傳輸路徑，提高整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，有效地延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

在現(xiàn)有的路由協(xié)議中，LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）協(xié)議作為第一個分層路由協(xié)議［6］，它的應(yīng)用優(yōu)化了平面路由協(xié)議在建立路由時能量開銷較大的缺點。其在易于管理和良好的擴展性以及在平衡能耗方面的優(yōu)勢，使得分簇路由協(xié)議成為關(guān)注的焦點。PEGASIS由LEACH發(fā)展而來，在平衡節(jié)點能耗方面具有相當優(yōu)勢，所以國內(nèi)外學者提出了依據(jù)PEGASIS（Power Efficient Gathering in Sensor Information System）來改進LEACH的方法。如文獻［7］借鑒PEGASIS成鏈方法，只將簇首節(jié)點成鏈，雖然減少能耗和時延，但是簇內(nèi)簇首輪換由基站負責，當簇首剩余能量不是簇內(nèi)節(jié)點剩余能量的最大值時進行簇首輪換，頻繁的簇首選取會帶來不必要的能量開銷。文獻［8］中，除簇首節(jié)點成鏈之外，在簇內(nèi)節(jié)點至簇首也采取形成節(jié)點鏈的方式傳輸數(shù)據(jù)。如果在成鏈過程中有節(jié)點失效，那么頻繁地重新成鏈同樣會帶來巨大能耗。

本文基于LEACH協(xié)議提出了一種改進的協(xié)議—EEPBL，將PEGASIS協(xié)議的節(jié)點成鏈思想應(yīng)用于LEACH協(xié)議的分簇結(jié)構(gòu)之中，只將LEACH協(xié)議中的簇頭節(jié)點成鏈。這樣既可以解決PEGASIS時延問題，同時也改進LEACH的單跳傳輸方式，平衡節(jié)點之間的能耗。同時利用動態(tài)能量閾值來減少簇內(nèi)簇首輪換過程中的能耗。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相關(guān)研究

路由協(xié)議對于提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率以及延長網(wǎng)絡(luò)生命周期有著至關(guān)重要的作用，目前已是國內(nèi)外研究的熱點之一。分簇路由協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中的一種，它的應(yīng)用優(yōu)化了平面路由協(xié)議在建立路由時能量開銷較大的缺點。其在易于管理和良好的擴展性以及在平衡能耗方面的優(yōu)勢，使得分簇路由協(xié)議成為關(guān)注的焦點。

1.1 LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議由麻省理工學院Wendi Rabiner Heinzelman等三人提出［9］。主要運作過程是將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分成多個簇，通過節(jié)點產(chǎn)生的隨機數(shù)與某個閾值進行比較，隨機數(shù)小于閾值的節(jié)點擔任簇首節(jié)點。簇內(nèi)成員節(jié)點依次把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首，簇首將接收到的數(shù)據(jù)和自身感知的數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送給匯聚節(jié)點，由于簇首承擔任務(wù)較重，能量消耗較大，為了平衡節(jié)點間的能量消耗，簇內(nèi)節(jié)點會輪換著成為簇首。LEACH協(xié)議是周期性的路由協(xié)議，在實際運行過程按照一定周期性，每一個周期稱為一輪，每一輪又由簇首形成階段和穩(wěn)定傳輸階段組成。LEACH協(xié)議的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 LEACH協(xié)議的拓撲結(jié)構(gòu)

在簇首形成階段，節(jié)點是否能成為簇首的條件主要取決于簇首數(shù)占整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的百分比p和上次成為簇首的輪數(shù)。這時節(jié)點n將產(chǎn)生一個隨機數(shù)，位于0-1之間。如果這個隨機數(shù)小于閾值，則該節(jié)點在這輪成為簇首，閾值公式如下：

其中，p=k/n；n表示傳感器網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點，k表示傳感器網(wǎng)絡(luò)中的簇首數(shù)量，p簇頭占總結(jié)點的百分比，r表示為當前輪數(shù)，G表示在最近1p輪中還沒有當選簇首的集合。

LEACH協(xié)議雖然較一般平面路由協(xié)議在一定程度上延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，但是協(xié)議中沒有考慮到節(jié)點的剩余能量因素，無論節(jié)點的剩余能量多少，被選為簇首節(jié)點的概率相同。每一輪結(jié)束之后，就會重新選擇簇首節(jié)點，頻繁選取簇首會帶來額外的能耗。而且LEACH協(xié)議在進行數(shù)據(jù)傳輸時，沒有考慮到節(jié)點與簇首節(jié)點和簇首與基站之間的距離因素。無論是簇內(nèi)成員節(jié)點傳送數(shù)據(jù)到簇首還是簇首節(jié)點傳送數(shù)據(jù)到基站均是采用單跳的通信方式，這會加速進行長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點死亡，縮短網(wǎng)絡(luò)壽命。

1.2 PEGASIS協(xié)議

PEGASIS協(xié)議是基于LEACH協(xié)議的改進版本。該協(xié)議的核心思想是利用貪婪算法從基站最遠端形成一條由所有節(jié)點組成的單鏈。然后通過隨機方式選取一個節(jié)點成為鏈首節(jié)點負責與基站通信。除端節(jié)點之外，每個節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)與自身的采集的數(shù)據(jù)進行融合，從兩端沿著鏈傳送給鏈首節(jié)點，最后由鏈首節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)融合后傳送至基站。在協(xié)議運行過程中，每當有節(jié)點失效，剩余節(jié)點就會重新形成一條鏈，直至所有節(jié)點失效，通信結(jié)束［10］。

相比于LEACH中無論節(jié)點間距離遠近，簇成員節(jié)點與簇首節(jié)點均采用單跳方式傳輸數(shù)據(jù)。在PEGASIS中節(jié)點只需與距自己最近的節(jié)點通信，平衡了節(jié)點之間的能耗。但是數(shù)據(jù)從鏈路的遠端傳輸?shù)芥準讜疬^多的延遲，并且每次鏈路中單個節(jié)點的死亡都要重新成鏈，如此拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整會帶來巨大的能量開銷，特別是對于高度利用的網(wǎng)絡(luò)，這種協(xié)議會加速網(wǎng)絡(luò)的死亡。

2 改進的EEPBL協(xié)議

綜合LEACH和PEGASIS的優(yōu)缺點，從簇首選擇、簇間路由和簇內(nèi)簇首輪換三個方面改進LEACH協(xié)議。提出了一個基于LEACH的能量高效路由協(xié)議EEPBL。EEPBL協(xié)議基本思想：首先將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行分簇，然后采用集中控制的方式由基站選取簇首節(jié)點，借鑒PEGASIS的鏈式結(jié)構(gòu)，依據(jù)貪婪算法將選取的簇首節(jié)點在距基站的最遠端形成一條節(jié)點鏈，并且在所有簇首節(jié)點之中選擇一個剩余能量最多且離基站最近的簇首節(jié)點擔任鏈首節(jié)點，鏈首節(jié)點負責與基站通信。

2.1 EEPBL算法描述

2.1.1 簇首選擇

采用集中控制的方式通過基站選取簇首，由于基站具有能量充足計算能力強等優(yōu)點，將簇首的選擇工作通過基站來完成，可以達到節(jié)約能耗的目的。首先網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點將自己的能量和位置信息發(fā)送給基站。在初始階段網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的能量相同，所以基站隨機選取簇首節(jié)點即可。隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷運行，各節(jié)點的剩余能量會有差異，所以基站根據(jù)收到的信息，選擇剩余能量最多的節(jié)點作為簇首節(jié)點，當簇首節(jié)點選定之后，向周圍鄰居節(jié)點廣播自己成為簇首的消息，等待鄰居節(jié)點加入簇。

2.1.2 能量模型

本文采用一階無線電模型的能量模型，無線信號強度所產(chǎn)生的能量損耗與傳輸?shù)木嚯x有關(guān)。該能量模型中規(guī)定了兩種信道模型—自由空間模型和多徑衰落模型。當傳輸距離超過閾值d0時采用多徑衰落模型，否則采用自由空間模型。在此模型中節(jié)點經(jīng)過長度為d的路徑，發(fā)送Lbit的數(shù)據(jù)所消耗的能量可由下式計算：

其中，Eelec表示發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)電路所需消耗的能量，εfs，εmp為功率放大器在不同信道模型的參數(shù)，其中；在此能量模型中，將Lbit的數(shù)據(jù)在長度為d的路徑上傳輸，所消耗的能量為：

式中，ET(l,d)為發(fā)送時所消耗的能量，有兩部分組成，其一是發(fā)送電路消耗的能量ET-elec(l,d)，其二是發(fā)送放大器所消耗的能量ET-amp(l,d)。

將發(fā)送電路和發(fā)送放大器這兩部分能耗代入（3）中可得出

ER(l)是接受電路所消耗的能量，主要由接收電路產(chǎn)生

于是綜合（3）（4）（5）（6）可以得出

2.1.3 簇間路由

在LEACH協(xié)議中，無論是簇首節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)到基站，還是簇內(nèi)成員節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)至簇首，均采用單跳方式傳輸，當簇首節(jié)點距離基站距離較遠時或成員節(jié)點距離簇首較遠時都會造成不必要的能量消耗。PEGASIS協(xié)議通過將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點形成節(jié)點鏈［4］，以多跳方式將采集的數(shù)據(jù)傳送至基站［11］，但當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，會導致較大時延。所以本文綜合兩者優(yōu)點，提出一種改進的簇間路由算法，僅將簇首節(jié)點依據(jù)貪婪算法從基站的最遠端成鏈，成鏈之后由基站選擇具有最多的剩余能量且距離基站最近的簇首節(jié)點作為整條鏈的鏈首節(jié)點。簇內(nèi)成員節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳送到簇首節(jié)點后，簇首節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)信息沿著這條鏈路傳輸至基站。EEPBL的簇間路由如圖2所示。

圖2 EEPBL的簇間路由

2.1.4 簇內(nèi)簇首輪換

由于LEACH協(xié)議每經(jīng)過一輪就要進行全網(wǎng)的簇首選舉，然后當選的簇首節(jié)點廣播當選信息重新成簇，這樣對簇首節(jié)點的剩余能量并沒有準確的估計。若剩余的能量還可以繼續(xù)支撐數(shù)據(jù)傳輸，簇首節(jié)點就沒有必要進行更換。因此EEPBL中設(shè)置動態(tài)能量閾值Eeff來避免頻繁地更換簇首造成的能量消耗。

動態(tài)閾值Eeff的值會隨著簇內(nèi)節(jié)點剩余能量的變化而變化，簇首節(jié)點根據(jù)簇成員節(jié)點發(fā)送過來的能量信息計算簇內(nèi)剩余節(jié)點的平均值Eaverage：

其中，符號Ei為節(jié)點i的剩余能量，N為簇內(nèi)存活節(jié)點的總數(shù)，本文將能量閾值設(shè)置為簇內(nèi)節(jié)點剩余能量平均值的一半：

當簇首能量小于此閾值時進行簇內(nèi)的簇首輪換，選擇簇內(nèi)能量第二多的節(jié)點成為簇首，如此循環(huán)往復，直至簇內(nèi)節(jié)點剩余能量均小于閾值。

2.2 改進算法流程圖

圖3 EEPBL協(xié)議流程圖

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

使用MATLAB仿真平臺對改進的能量高效路由協(xié)議EEPBL和LEACH協(xié)議在性能方面進行對比分析。仿真參數(shù)如表1所示：

表1 仿真參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

如圖4所示，反映了死亡的節(jié)點總數(shù)和存活節(jié)點隨著時間的變化關(guān)系。仿真結(jié)果表明，LEACH協(xié)議約在1100輪的時候開始出現(xiàn)死亡節(jié)點，在1500輪的時候，LEACH協(xié)議約有一半節(jié)傳感器節(jié)點失效，在2250輪的時候全網(wǎng)所有的節(jié)點失效。

而本文提出的EEPBL算法大約在1400輪的時候開始出現(xiàn)死亡節(jié)點，在2100輪的時候約有一半的節(jié)點失效，到2750輪的時候全網(wǎng)的節(jié)點失效。EEPBL半數(shù)節(jié)點的失效時間是LEACH的1.4倍；EEPBL全部節(jié)點的失效時間是LEACH的1.31倍。這是由于EEPBL協(xié)議在簇間路由的選擇方面借鑒PEGASIS的鏈式結(jié)構(gòu)，將簇首節(jié)點組成一條鏈，減少了LEACH協(xié)議中以單跳方式傳輸數(shù)據(jù)至基站的能耗。

圖4 死亡節(jié)點隨時間的變化

圖5對數(shù)據(jù)的傳輸量將LEACH和EEPBL進行仿真對比，從仿真結(jié)果可以看出，EEPBL的數(shù)據(jù)傳輸總量大大超過LEACH的數(shù)據(jù)傳輸總量，當全網(wǎng)的節(jié)點失效之時，LEACH協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸總量約為1.8×104bit；而EEPBL協(xié)議在全網(wǎng)失效之時數(shù)據(jù)傳輸總量約為7×104bit。改進后的EEPBL協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸總量約為LEACH的3.9倍。因此從總體來看EEPBL協(xié)議的性能優(yōu)于LEACH協(xié)議。

圖5 LEACH和EEPBL的數(shù)據(jù)傳輸對比

4 結(jié)論

EEPBL協(xié)議綜合了LEACH和PEGASIS協(xié)議的優(yōu)點，通過將簇首節(jié)點成鏈的方式，傳遞全網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，既改善了PEGASIS中因成鏈過長而降低數(shù)據(jù)傳輸速率，同時又解決了LEACH協(xié)議中節(jié)點能耗不均的問題。由仿真結(jié)果可知，EEPBL協(xié)議能夠有效減少節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

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