王 軍， 馬德朋， 徐萬一， 張亞君

(沈陽化工大學 計算機科學與技術學院， 遼寧 沈陽 110142)

無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng).它的目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者.傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器的3個要素[1].由于WSN具有節(jié)點可以大規(guī)模部署、自組織網(wǎng)絡、動態(tài)性的網(wǎng)絡拓撲結構、數(shù)據(jù)和傳輸?shù)目煽啃砸约皞鞲衅鞴?jié)點高度集成的特點，使其在軍事監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、地震與氣候預測、搶險救災、地下、深水以及外層空間探索等許多方面都具有廣泛的應用前景[2-3].

當今WSN路由協(xié)議的研究已經(jīng)成為國內外備受關注的熱點[4].傳感器節(jié)點的能量消耗問題直接影響著無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期[5-6].本文是在原有LEACH路由協(xié)議的基礎上，提出XX_LEACH路由協(xié)議.改進后的路由協(xié)議很大程度地延長了無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?

1 WSN路由協(xié)議的介紹

無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡層路由協(xié)議執(zhí)行效率的高低對傳感器節(jié)點收發(fā)信息有直接的影響，進而影響到傳感器節(jié)點的能量消耗，最終影響到整個WSN的性能[7].因此，網(wǎng)絡層的路由協(xié)議是當今WSN研究的重要方向[8].這類協(xié)議主要是使監(jiān)測區(qū)域節(jié)點和目的節(jié)點(sink)之間的數(shù)據(jù)得到最優(yōu)化路徑傳輸[9].

2 LEACH路由協(xié)議概述

LEACH是一種基于聚類的路由協(xié)議，是最早的路由協(xié)議[10-11].LEACH協(xié)議主要分為類準備和就緒兩個階段.在類準備階段，LEACH協(xié)議隨機地選取一個傳感器節(jié)點作為簇頭節(jié)點.類形成之后進入就緒階段，簇頭節(jié)點開始接收簇內節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合技術的處理，將整合之后的數(shù)據(jù)傳輸給目的節(jié)點(sink)[12-13].

2.1 LEACH簇頭的產生算法

首先在每個節(jié)點中選取0～1之間的隨機數(shù)，與閾值T(n)比較，小于閾值的作為簇頭.簇頭向節(jié)點廣播自己成為了簇頭的消息，節(jié)點根據(jù)收到信號的強弱選擇簇頭，并回復簇頭.其中T(n)的計算公式為：

(1)

其中：p是簇頭占所有節(jié)點百分比；rmod(1/p)代表一輪循環(huán)中當選簇頭節(jié)點的個數(shù)；G是最近1/p輪中還沒有當選過簇頭節(jié)點的集合；r是目前循環(huán)的輪數(shù)；n為節(jié)點的總數(shù).

2.2 LEACH協(xié)議算法流程

圖1為LEACH協(xié)議算法的流程，主要分為簇的建立、簇的形成、簇的路由、簇的循環(huán)幾個步驟[14].

圖1 LEACH協(xié)議算法流程Fig.1 LEACH Protocol algorithm flowchart

3 改進的LEACH路由協(xié)議

在LEACH路由協(xié)議中，為了減慢簇內節(jié)點的能量損耗，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，使簇內節(jié)點的能量消耗更均勻且緩慢，提高節(jié)點的能量利用效率，設計了XX_LEACH路由協(xié)議.改進的LEACH路由協(xié)議主要是通過評估簇內各節(jié)點與簇內中心的距離和節(jié)點能量剩余以及節(jié)點溫度的綜合值來作為選取簇頭的參考，進而使簇內邊緣節(jié)點傳遞的數(shù)據(jù)更加可靠，避免簇內少數(shù)節(jié)點出現(xiàn)過早死亡的現(xiàn)象，有效地增強了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)傳遞的全面性和真實性.

3.1 基本思想

3.1.1 節(jié)點向心性

節(jié)點的向心性指的是簇建成之后簇內各個節(jié)點距簇中心的距離.通常在簇頭選舉時用來衡量是否可以作為簇頭的標準.

3.1.2 算法的基本思想

XX_LEACH協(xié)議算法的環(huán)境與LEACH協(xié)議的環(huán)境相同：(1)初始化網(wǎng)絡節(jié)點都屬于同種類型；(2)初始能量相同；(3)各節(jié)點在每一幀(Frame)中都有數(shù)據(jù)傳送；(4)節(jié)點靜止；(5)基站固定并遠離WSN.假設初始值都為1，經(jīng)過一次循環(huán)后，簇內節(jié)點的能量損耗各不相同，下一輪開始前，計算出每一個節(jié)點的位置距離簇內中心位置的距離、剩余能量和節(jié)點溫度的綜合值作為下一輪簇頭選舉的條件.

由LEACH路由協(xié)議，在第一輪結束時計算出簇內各節(jié)點位置的向心性、能量剩余和節(jié)點溫度的綜合值.將綜合值和其他數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點，由簇頭經(jīng)過數(shù)據(jù)融合之后傳送給基站.再由基站計算出當前各簇內節(jié)點位置的向心程度、能量剩余和節(jié)點溫度的綜合值，并與第一輪的綜合值比較，如果差值大于閾值T(n)時，在網(wǎng)絡模型中刪除該節(jié)點，再把剩余的節(jié)點依據(jù)LEACH路由協(xié)議中規(guī)定T(n)的選舉下一輪的簇頭.實驗結果表明：該過程可以提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕娱L網(wǎng)絡生命周期.

3.1.3 計算方法

(1) 計算節(jié)點的剩余能量

當節(jié)點n將k位的數(shù)據(jù)傳送的距離為d時，剩余的能量公式為：

En(k,d)=Ec-(Efkd+Ejk)

(2)

其中，En(k,d)表示節(jié)點剩余的能量，k表示報文的長度，d表示傳輸?shù)木嚯x，Ec表示節(jié)點初始能量，Ef表示節(jié)點發(fā)送單位數(shù)據(jù)時消耗的能量，Ej表示節(jié)點接收單位數(shù)據(jù)時消耗的能量.通過計算簇內節(jié)點的剩余能量，將其作為評估節(jié)點是否可以作為簇頭的條件之一，從而可以延長網(wǎng)絡的生命周期.

(2) 計算節(jié)點的向心性

通過計算節(jié)點n的位置坐標(Si,Se)與簇內中心坐標(Za,Zb)的距離，解決節(jié)點邊緣化帶來的數(shù)據(jù)傳輸不準確、不及時的問題.其計算公式為：

Dn(S,Z)=(Si-Za)2+(Se-Zb)2

(3)

其中，Dn(S,Z)表示簇內節(jié)點到簇內中心的距離，Si表示節(jié)點的橫坐標，Se表示節(jié)點的縱坐標，Za表示簇內中心的橫坐標，Zb表示簇內中心的縱坐標.在無線傳感器網(wǎng)絡中，計算節(jié)點的向心性，將其作為評估節(jié)點是否可以成為簇首的另一個條件.節(jié)點向心性有效地提高了節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，避免了不良位置?jié)點傳輸數(shù)據(jù)的片面性和單一性.

(3) 計算節(jié)點的溫度

無線傳感器網(wǎng)絡在運行的過程中，節(jié)點n隨著能量消耗EX的變化，節(jié)點溫度的計算公式為：

(4)

其中，Hn(t)表示節(jié)點的溫度值；EX表示節(jié)點的消耗能量；EC表示節(jié)點的初始能量；β表示節(jié)點容熱值的權值，其值根據(jù)實際應用選??；βEX/EC即表示溫度的變化系數(shù)；HC表示節(jié)點的初始溫度.通過計算無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的溫度，將其作為簇首選擇時的一個條件，可以更好地解決簇內節(jié)點負載過大時，能耗多的節(jié)點過早死亡的問題，有效地使簇內節(jié)點的能量均勻消耗，使網(wǎng)絡的生命周期得到延長.

(4) 計算節(jié)點n的剩余能量、節(jié)點向心性以及節(jié)點溫度的綜合值

綜合評估節(jié)點的剩余能量、節(jié)點的向心性和節(jié)點溫度，作為最終節(jié)點可以選為簇頭的條件.其計算公式為：

Pn=α1En(k,d)+α2Dn(S,Z)+α3Hn(t)

(5)

其中，α1、α2、α3分別表示節(jié)點剩余能量、節(jié)點的向心性和節(jié)點溫度的權重值，具體權重值在應用中根據(jù)實際情況選取.

3.2 算法流程

在真實環(huán)境里的無線傳感器網(wǎng)絡中，簇首選舉往往不能保證能量的均勻消耗以及簇內節(jié)點過渡邊緣化造成的節(jié)點過早死亡、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不可靠等問題.XX_LEACH路由協(xié)議改進簇首選舉的評估機制，通過計算簇形成后各節(jié)點到簇內中心的距離和節(jié)點的剩余能量以及節(jié)點溫度的綜合值來作為選擇簇頭的條件.該算法可以很大程度地提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嵭?，延長網(wǎng)絡的生命周期，可以解決實際環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡存在的問題.其具體的算法流程如圖2所示.

圖2 XX_LEACH協(xié)議算法流程Fig.2 XX_LEACH protocol algorithm flowchart

3.3 算法的偽代碼

由XX_LEACH路由協(xié)議的算法流程，設計出算法的偽代碼，可以更直觀地看出該算法的執(zhí)行過程.具體編寫如下：

Begin

輸入P1，Pn-1，Pn

輸入T(n)

IFPn-Pn-1>=T(n)

則刪除該節(jié)點，執(zhí)行LEACH路由協(xié)議

否則執(zhí)行LEACH路由協(xié)議

Print循環(huán)此過程

End

4 仿真

4.1 搭建仿真環(huán)境

在仿真環(huán)境中，為了更清晰地了解改進后的LEACH路由協(xié)議，XX_LEACH設置的仿真參數(shù)如表1所示.

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

4.2 仿真結果與分析

使用OPNET網(wǎng)絡仿真工具進行仿真，同時使用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)結果比較分析，從無線傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡的剩余能量和節(jié)點的存活數(shù)對LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和XX_LEACH協(xié)議進行對比[15].

在LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和XX_LEACH協(xié)議中，各自的節(jié)點剩余能量變化如圖3所示.

圖3 3種協(xié)議剩余能量的比較Fig.3 Comparison of residual energy of three protocols

在0～79輪時，LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和XX_LEACH協(xié)議節(jié)點的剩余能量幾乎相同；在79輪之后，隨著時間的增加，3種協(xié)議下節(jié)點所剩的能量開始出現(xiàn)差距，LEACH協(xié)議和NPT_LEACH協(xié)議中節(jié)點的消耗能量增多，XX_LEACH協(xié)議中節(jié)點的剩余能量明顯多于LEACH協(xié)議和NPT_LEACH協(xié)議中節(jié)點剩余能量.研究結果表明：改進的XX_LEACH能夠減少能量的消耗，延長網(wǎng)絡的生命周期.

觀察LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和XX_LEACH協(xié)議，3種協(xié)議在相同時間內，存活節(jié)點數(shù)的變化如圖4所示.當最初都為100個節(jié)點存活時，LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和XX_LEACH協(xié)議在600輪之后，XX_LEACH協(xié)議存活的節(jié)點個數(shù)明顯高于LEACH協(xié)議和NPT_LEACH協(xié)議存活的節(jié)點個數(shù)；LEACH協(xié)議和NPT_LEACH協(xié)議在1 600輪時，節(jié)點全部死亡，而XX_LEACH協(xié)議直到1 800輪時才全部死亡.改進結果表明：XX_LEACH協(xié)議比LEACH協(xié)議和NPT_LEACH協(xié)議性能更好；XX_LEACH協(xié)議使節(jié)點存活的個數(shù)顯著增多，能延長無線傳感器網(wǎng)路的生命周期.

圖4 3種協(xié)議存活節(jié)點的比較Fig.4 Comparison of survival nodes of three protocols

LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和XX_LEACH協(xié)議中節(jié)點的分布情況如圖5～圖7所示.

圖5 LEACH協(xié)議節(jié)點的分布Fig.5 LEACH protocols node map

圖6 NPT_LEACH協(xié)議節(jié)點分布Fig.6 NPT_LEACH protocols node map

圖7 XX_LEACH協(xié)議節(jié)點分布Fig.7 XX_LEACH protocols node map

從圖5、圖6中可以清楚地看到：LEACH協(xié)議節(jié)點和NPT_LEACH協(xié)議節(jié)點與簇頭之間的距離比較分散，邊緣節(jié)點時刻存在，造成簇頭的負載不均衡，能量消耗不均勻等結果.而通過改進的XX_LEACH協(xié)議與LEACH協(xié)議和NPT_LEACH協(xié)議相比，可以明顯地看出節(jié)點與簇頭之間的距離趨近于均勻分布(見圖7)，能更好地實現(xiàn)節(jié)點的能耗均勻，數(shù)據(jù)傳輸更有效.

根據(jù)仿真結果比較LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和XX_LEACH協(xié)議的性能.從路由策略、以數(shù)據(jù)為中心、最優(yōu)路徑、穩(wěn)定性和可靠性5個方面分析[9]，得出的結論如表2所示.

表2 3種路由協(xié)議性能的比較Table 2 Comparison of three routing protocols

5 算法分析與展望

基于節(jié)點向心性的路由協(xié)議簇首選舉，在LEACH協(xié)議的基礎之上，提出了XX_LEACH路由協(xié)議.以節(jié)點的向心性和節(jié)點的剩余能量以及節(jié)點溫度綜合值作為簇首選舉的標準，有效解決了無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點，尤其是邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時能量消耗不均勻的問題.XX_LEACH路由協(xié)議算法的提出，能夠提高各節(jié)點的能量利用效率，延長網(wǎng)絡的生命周期，解決LEACH路由協(xié)議簇首選取方法的不足.通過OPNET網(wǎng)絡仿真工具，使用MATLAB進行數(shù)據(jù)分析比較，對新型的無線傳感器路由協(xié)議XX_LEACH進行仿真.仿真結果表明：XX_LEACH協(xié)議與LEACH協(xié)議相比，能更好地減緩無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生命周期，該算法比LEACH的簇頭選擇方法更可靠.為了更好地解決無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由的問題，對于 XX_LEACH路由協(xié)議，在以后簇頭選取的研究中不能只局限于節(jié)點的向心性、節(jié)點的剩余能量和節(jié)點溫度3個因素，還需要考慮簇頭到基站的距離，以及節(jié)點的密集程度等因素.XX_LEACH協(xié)議的提出，在無線傳感器網(wǎng)絡的理論指導和實際發(fā)展中有著重大的意義.