無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的研究

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1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的研究摘要　在無(wú)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(guò)對(duì)比單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，說(shuō)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(wú)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

2、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(guò)重。這種過(guò)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

3、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(lái)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(guò)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

4、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(wú)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(wú)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(wú)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：：其中

5、是信號(hào)放大器的放大倍數(shù)。是發(fā)送電路和接收電路消耗的能量，由于實(shí)際相差不大，在這個(gè)模式里面簡(jiǎn)化為兩者相等。而β是由無(wú)線電通道決定的常量。D是信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。其中，這意味著，信號(hào)傳輸距離越短，能量消耗越少。在發(fā)送距離較近時(shí)，適用自由空間信道模型，取β＝2；而當(dāng)發(fā)送距離較遠(yuǎn)時(shí)，適用多徑衰落信道模型，取β＝4，也稱之為雙路徑模型[4]。2.2LEACH協(xié)議的不足之處（1）由于每輪固定類首之后再建立簇類，所以簇頭的開銷比較大，并且離散式區(qū)域算法雖然對(duì)于節(jié)點(diǎn)位置等要求不高，但無(wú)法做到最優(yōu)。（2）由于LEACH要求節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)與基站之間均可以直接通信，所

6、以網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性不強(qiáng)，并且不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。（3）LEACH的傳輸距離較遠(yuǎn)，并且數(shù)據(jù)融合相對(duì)較少，這就要求傳輸更多的數(shù)據(jù)到更遠(yuǎn)的距離，從而加大了能量消耗。（4）LEACH算法簇間通信采用單跳通信。如果基站到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的距離很遠(yuǎn)，根據(jù)一階無(wú)線電模式給出的能量消耗公式，可知如果采用直接發(fā)送協(xié)議將需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)哪芰縼?lái)滿足遠(yuǎn)距離的直接通信，這樣會(huì)很快耗盡節(jié)點(diǎn)中的電池，減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。（5）LEACH協(xié)議中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)只有一跳，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)直接和簇首通信而不需要其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這雖然帶來(lái)了通信的方便和簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但也造成了每個(gè)簇的規(guī)模有限，不利于傳

7、感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，不適合大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3單跳網(wǎng)絡(luò)與多跳網(wǎng)絡(luò)的能量分析基于簇的路由協(xié)議LEACH協(xié)議是一種單跳的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸數(shù)據(jù)的方式包括單跳和多跳，我們將對(duì)這兩種方式的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量消耗方面的分析。3.1單跳網(wǎng)絡(luò)能量分析使用單跳路由協(xié)議方式時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。根據(jù)藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的資料，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的能量與距離之間是平方關(guān)系。單跳路由協(xié)議每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的耗能與節(jié)點(diǎn)到基站間的距離的關(guān)系可以表示為：E=λk2(k=1，2，3……)其中，λ是單位數(shù)據(jù)傳送單位距離時(shí)傳感器的能耗J，k為節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離m

8、，E為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的能耗，參見(jiàn)圖1。圖1單跳路由協(xié)議的能量關(guān)系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