LEACH 路由協(xié)議最優(yōu)簇頭數(shù)計算方法

郭前崗，周德祥，周西峰

（南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210046）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者[1]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計算、通信能力及能量都十分有限，因此，如何有效地使用能量均衡能量的消耗并延長網(wǎng)絡(luò)生存時間成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)之一[2]。

本文研究了低功耗自適應(yīng)集群分層型路由協(xié)議LEACH。在簇頭數(shù)選取時，如果簇頭數(shù)過多，簇頭要與遠(yuǎn)距離的基站通信，其消耗的能量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的成員節(jié)點(diǎn)，同時采集到的數(shù)據(jù)有冗余，浪費(fèi)了較多的能量。如果簇頭數(shù)太少，也就失去了LEACH協(xié)議分層的意義，同時簇頭節(jié)點(diǎn)接收的信息量大，會增加簇頭的工作量，導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)能量過快地消耗完而死亡[3]。因此，簇頭數(shù)量的多少直接影響網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，選擇一個合適的簇頭數(shù)能夠使網(wǎng)絡(luò)的能量消耗平均到每一個節(jié)點(diǎn)，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。

[4]針對最優(yōu)簇頭數(shù)的計算進(jìn)行了研究，但是其只考慮了穩(wěn)定傳輸階段的能量消耗，而沒有考慮建立階段節(jié)點(diǎn)的能量消耗，本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。本文方法能夠在每輪選擇一個合適的簇頭數(shù)，均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)使用時間的目的。

1 LEACH路由協(xié)議

LEACH是由MIT的HEINZELMAN等人提出的分簇路由協(xié)議，使用循環(huán)的簇頭輪換技術(shù)使得每個傳感器節(jié)點(diǎn)都能成為簇頭，這樣整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗分布相對均衡，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期[5]。此外，簇頭節(jié)點(diǎn)能夠?qū)Υ貎?nèi)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行融合。由于數(shù)據(jù)通信消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)計算所消耗的能量，因此可以有效地節(jié)約能量。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分簇協(xié)議相比，LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%[6]。

LEACH協(xié)議被分為很多輪，每一輪包括建立階段和穩(wěn)定傳輸階段，為了減少網(wǎng)絡(luò)的開銷，穩(wěn)定傳輸階段的時間比建立階段要長。在建立階段，每個傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個0～1之間的隨機(jī)數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值T（n），則該節(jié)點(diǎn)被選為簇頭節(jié)點(diǎn)，向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己是簇首的消息。 T（n）[7]的計算公式為：

其中，p是簇頭占所有傳感器節(jié)點(diǎn)的百分比，r是當(dāng)前的輪數(shù)，G為未被當(dāng)選過簇頭節(jié)點(diǎn)的集合。在第0輪的時候，每個節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的概率為p，被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)在后面的幾輪中將不能再次當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)。隨著每一輪的進(jìn)行，剩下可以當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)數(shù)量在不斷地變小，但是T（n）在不斷地變大，且能夠保持每輪當(dāng)選的簇頭個數(shù)是一樣的。經(jīng)過了若干輪后，T（n）=1，所有未當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)都當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，接下來的一輪，所有節(jié)點(diǎn)又可以重新當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)。

簇頭節(jié)點(diǎn)當(dāng)選后，會發(fā)送一個廣播包廣播自己是簇頭的消息，并且所有簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息的發(fā)射功率都是一樣的。這個過程中，其他節(jié)點(diǎn)都處于等待接收廣播消息的狀態(tài)，每個節(jié)點(diǎn)可能收到不同簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播信息，根據(jù)接收信號的強(qiáng)弱，向信號最強(qiáng)的簇頭結(jié)點(diǎn)發(fā)送申請加入的消息，簇頭節(jié)點(diǎn)收到成員節(jié)點(diǎn)的加入信息會完成簇的建立。最后，簇頭節(jié)點(diǎn)會向所屬簇的節(jié)點(diǎn)發(fā)送TDMA時刻表[8]，通知每個節(jié)點(diǎn)何時向其發(fā)送數(shù)據(jù)。

在穩(wěn)定傳輸階段，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)TDMA時刻表所確定的時隙，將信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)將采集到的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)融合之后發(fā)送給基站。經(jīng)歷一段穩(wěn)定的傳輸階段之后，進(jìn)入下一輪工作周期，不斷循環(huán)[9]。

2 節(jié)點(diǎn)的能量消耗模型

LEACH路由協(xié)議中使用的能量消耗模型是一階無線通信模式（First Order Radio Model），如圖 1所示。

圖1 一階無線通信模式

該模型假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)完全相同、能量有限、基站的位置固定，并且離傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)、無線電信號在各個方向上耗能相同[10]。在這種模式下，每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送1位數(shù)據(jù)消耗的能量為：

每個節(jié)點(diǎn)接收1位數(shù)據(jù)消耗的能量為：

其中，l為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的比特數(shù)；Eelec為發(fā)送或接收1比特數(shù)據(jù)消耗的能量；εmp為多路衰減模型的功率放大系數(shù)；εfs為自由空間模型的功率放大系數(shù)。當(dāng)發(fā)送距離d≥d0時，采用多路衰減模型，能量消耗與距離的4次方成正比；當(dāng)d＜d0時，采用自由空間模型，能量消耗與距離的 2次方成正比，其中，d0=

3 最優(yōu)簇頭數(shù)計算方法

3.1 建立階段的能量消耗

假設(shè)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 N，隨機(jī)分布在M×M的區(qū)域內(nèi)，簇頭個數(shù)為K，則平均每個簇中非簇頭成員節(jié)點(diǎn)數(shù)為N/K-1，簇頭建立的過程如圖2所示。

圖2 簇頭建立流程圖

簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)式（1）選定以后，會向非簇頭節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的消息，假設(shè)廣播的距離為d，則消耗的 能 量 為 l×Eelec+l×εmp×d4， 這 里 采 用 多 路 衰 減 模 型 ， 能 量消耗與距離的4次方成正比。因?yàn)樗x取的距離d＞d0，所以保證了簇頭的廣播信息能夠覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點(diǎn)。沒有被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到廣播消息的信號的強(qiáng)弱來決定加入哪個簇，簇頭會收到節(jié)點(diǎn)的加入請求信息。因?yàn)槠骄總€簇中非簇頭成員節(jié)點(diǎn)為N/K-1個，所以每個簇頭消耗的平均能量為 l×Eelec×（N/K-1）。 簇頭節(jié)點(diǎn)會創(chuàng)建TDMA時刻表并發(fā)送給簇成員，簇頭到非簇頭節(jié)點(diǎn)的距離用 dtoch表示， 消耗的 能量 為 l×Eelec+l×εmp×，所以簇建立階段每個簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量為：

而每個非簇頭節(jié)點(diǎn)接收簇頭廣播信息消耗的能量為 l×Eelec，向所加入簇的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的能量為 l×Eelec+l×εfs×， 接收簇頭節(jié)點(diǎn)的 TDMA 時刻表消耗的能量為l×Eelec，因此，簇建立階段每個非簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量為：

綜上所述，簇建立階段的總能量為：

3.2 穩(wěn)定傳輸階段的能量消耗

在簇穩(wěn)定傳輸階段，簇頭節(jié)點(diǎn)接收非簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息，消耗的能 量為 l×Eelec×（N/K-1），將 簇中所有的頻率，而虛擬儀器是通過采集波形數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到準(zhǔn)確頻率。當(dāng)電子變壓器輸出頻率低于設(shè)定范圍，會造成燈的閃爍、延時點(diǎn)亮等現(xiàn)象；而輸出頻率高于設(shè)定范圍時，產(chǎn)品產(chǎn)生的干擾量值超標(biāo)。這里用到LabVIEW的提取單頻信息VI[5]。當(dāng)頻率測試在限值內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行其他項(xiàng)目測試，否則跳出采集過程，提示產(chǎn)品頻率不良。

3.3 輸出波形非對稱性測試

理想的電子變壓器輸出波形是上下對稱，即波形的峰值等于波形谷值的絕對值。然而由于電子元器件的參數(shù)差異，導(dǎo)致輸出波形存在非對稱。這里用到LabVIEW的幅值和電平VI，測試原理：峰值與谷值相加得到差值，如果差值不小于零，用差值除以峰值，得到的商不大于12.5%，判定為合格，否則判定為不合格。若差值小于零，用差值除以谷值，得到的商不大于12.5%，判定為合格，否則判定為不合格。測試程序如圖6所示。

圖6 輸出波形非對稱性測試程序

3.4 短路恢復(fù)啟動時間測試

短路恢復(fù)啟動時間，是指短路狀態(tài)消除到電子變壓器可以正常工作的時間。要求產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)完成啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)換。采用LabVIEW的For循環(huán)檢測電子變壓器輸出電壓，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。這里設(shè)定值為額定輸出電壓的90%。在規(guī)定的循環(huán)次數(shù) （對應(yīng)規(guī)定的時間）內(nèi)達(dá)到或超過設(shè)定值測試合格，否則測試失敗。

3.5 程序發(fā)布

將生成的ET TEST獨(dú)立應(yīng)用程序及安裝程序復(fù)制到目標(biāo)機(jī)，運(yùn)行安裝程序，產(chǎn)生Measurement&Automation Explorer、NI-DMM 設(shè)備驅(qū)動、NI-DAQmx 設(shè)備驅(qū)動、LabVEIW運(yùn)行引擎。建立被測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)存放文件夾，用于測試數(shù)據(jù)的存放。

應(yīng)用LabVIEW軟件技術(shù)，可成功完成電子變壓器動態(tài)性能的測試。本采集系統(tǒng)自動化程度較高，易于操控，通過選擇被測產(chǎn)品型號，系統(tǒng)自動匹配負(fù)載電阻，自動