無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗路由協(xié)議分析與設(shè)計

李楊楊

【摘要】當(dāng)前，無線傳感網(wǎng)中，節(jié)點分布非常廣泛，而且數(shù)量巨大，在這種情況下，著重分析了LEACH分簇路由算法的運行原理，并在其缺陷基礎(chǔ)上提出一種基于LEACH的改進路由協(xié)議，對LEACH-FLM協(xié)議實現(xiàn)進行分析后，通過MATLAB仿真實現(xiàn)對LEACH-FLM協(xié)議改進方案進行論證，結(jié)果表明按時效等級分配數(shù)據(jù)傳送時間的方法適合無線傳感網(wǎng)對各種數(shù)據(jù)的實時性的要求，具有一定的可行性

【關(guān)鍵詞】低功耗路由協(xié)議;LEACH-FLM;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);仿真

在傳統(tǒng)的WSN傳感網(wǎng)絡(luò)體系之中，選擇與構(gòu)建低功耗的路由協(xié)議對于發(fā)揮該網(wǎng)絡(luò)體系傳輸性能極為關(guān)鍵。因此從應(yīng)用層面來講，按照傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同特性的敏感度，將當(dāng)前WSN傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議算法可分為能量感知路由協(xié)議、路由查詢協(xié)議、地理位置路由協(xié)議等。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計一種節(jié)能路由協(xié)議，對于延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期顯得尤為重要。而LEACH協(xié)議作為分簇路由協(xié)議中的最經(jīng)典協(xié)議，其對于低功耗路由協(xié)議的提出極為關(guān)鍵，因此下面對其進行詳細分析與設(shè)計。

1. 基于LEACH的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

1.1 LEACH協(xié)議分析

LEACH協(xié)議是分簇路由協(xié)議中最經(jīng)典的協(xié)議。作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的第一層路由協(xié)議，LEACH具有以下功能。（1）創(chuàng)建群集的本地調(diào)整。（2）動態(tài)選舉群集的“簇頭”節(jié)點。（3）采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)。LEACH的基本思想是以實現(xiàn)提高整個網(wǎng)絡(luò)生命周期的目標，使用隨機循環(huán)以特定速率生成和選擇簇首節(jié)點。

1.2 LEACH分簇路由算法

LEACH分簇路由協(xié)議算法是一種非常普遍的路由算法，由于其低能耗，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。操作原理是每個節(jié)點依次傳輸輪流獲取的信息，在傳輸過程中選擇簇首節(jié)點，并在選擇完成后發(fā)送信息。

每輪的具體實現(xiàn)過程包括集群初始化和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸階段的形成。在這個階段，基站隨機產(chǎn)生一個介于0和1之間的隨機數(shù)，簇頭中的所有節(jié)點接收所選擇的消息，在廣播中該消息以閾值T（n）預(yù)先設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中，基站或匯聚節(jié)點比較隨機數(shù)與設(shè)定的閾值T（n），接著繼續(xù)選擇簇頭節(jié)點。在每輪運行變化之后，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為一些節(jié)點簇頭節(jié)點服務(wù)，節(jié)點的能量消耗將得到平衡，下一個選擇過程不會選擇所選簇頭節(jié)點作為主要目標。數(shù)據(jù)傳輸在形成簇后網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定工作的階段進行，基站或匯聚節(jié)點為每個簇類規(guī)劃具體的任務(wù)和時間安排，簇頭節(jié)點也會同樣為簇中普通節(jié)點安排時間。

根據(jù)上述中LEACH協(xié)議算法的基本流程與原理，可知當(dāng)選取簇頭時其隨機機制尚未考慮分布節(jié)點，并且使得簇頭節(jié)點在集中區(qū)域隨機分布，而網(wǎng)絡(luò)中的各類節(jié)點同簇頭群通信距離過遠，導(dǎo)致增加節(jié)點通信能耗。另外簇頭隨機選擇幾只蝦的閾值計算，僅僅計算了節(jié)點形成簇頭節(jié)點的概率。使得簇頭信息數(shù)據(jù)無法被傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，所以下面考慮將該協(xié)議算法作出改進優(yōu)化。

2. 基于LEACH的改進路由協(xié)議設(shè)計

2.1 LEACH-FLM協(xié)議介紹

本文提出了一種具有創(chuàng)新意義的LEACH-FLM協(xié)議。LEACH-FLM主要通過模糊邏輯算法將傳感器節(jié)點到基站的距離、傳感器節(jié)點的剩余能量、傳感器節(jié)點的穩(wěn)定性，利用加權(quán)平均算法對三類參數(shù)進行處理，判定其參數(shù)值較大，則傳感器節(jié)點變?yōu)榇仡^節(jié)點可能性越大。反之則傳感器節(jié)點成為簇頭的概率就會降低。相比而言，LEACH-FLM協(xié)議可以平衡傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量損耗，使得WSN的生命周期得到延長。下面對其具體算法實現(xiàn)進行設(shè)計和說明。

2.2 LEACH-FLM算法實現(xiàn)

LEACH-FLM協(xié)議的移動模型使用了節(jié)點的穩(wěn)定性、節(jié)點剩余能量以及傳感器節(jié)點與基站之間的距離這三個關(guān)鍵參數(shù)用來作為選擇簇頭的重要參數(shù)。

算法的主要流程如下：

①將傳感器節(jié)點的速度，位置，移動方向和移動范圍套入下列公式中，得到節(jié)點的方差。將方差作為節(jié)點穩(wěn)定性的指標。若方差越小，則節(jié)點成為簇頭幾率越大，反之亦然;根據(jù)WSN網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點的速度、位置移動方向等參數(shù)，通過公式計算形成節(jié)點方差，并將其作為衡量節(jié)點穩(wěn)定性的參考指標。此時如方差越小，則其成為簇頭概率增加，反之亦然。

②根據(jù)公式得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與基站距離，判定距離越近者越易形成簇頭，反之亦然。

③得到節(jié)點的剩余能量。若剩余能量越多，則節(jié)點成為簇頭的幾率越大，反之亦然;

④根據(jù)公式得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點剩余能量，判定剩余能量越多者越易形成簇頭，反之亦然。

⑤根據(jù)計算得到的三類關(guān)鍵參數(shù)，將其作為輸入值帶入模糊邏輯算法中計算。

⑥通過模糊邏輯算法對輸入變量歸屬至[0，1]區(qū)間中，按照算法輸出結(jié)果得到節(jié)點作為簇頭的概率。

2.3 改進路由協(xié)議的仿真分析

采用MATLB仿真程序?qū)EACH-FLM算法實施仿真操作。檢驗LEACH-FLM算法在物理融合和數(shù)據(jù)融合中的機能。在監(jiān)測環(huán)境中的四種不同類型的節(jié)點的初始狀態(tài)為：A：（失效等級4，發(fā)送速率50）;B（失效等級3，數(shù)據(jù)發(fā)送速率設(shè)定為80）;C（失效等級4，發(fā)送速率50）;D（失效等級2，發(fā)送速率50）。假設(shè)四中節(jié)點都有50個，系統(tǒng)一共有200個系統(tǒng)發(fā)送一次數(shù)據(jù)的時間為100s，第一次利用傳統(tǒng)的LEACH算法進行仿真，然后再利用本文改進的LEACH算法在同等條件下進行仿真，并相互比較。

分析圖2-2得，時效等級：A>B=C>D，但是C的數(shù)據(jù)發(fā)送率大于B。分析圖2-3可得，得到的發(fā)送時間A>B>C>D，因此，可以說明本文改進的算法是行之有效的。這種按時效等級分配數(shù)據(jù)傳送時間的方法適合無線傳感網(wǎng)對各種數(shù)據(jù)的實時性的要求。因此改進后的路由協(xié)議具有一定的可行性。

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