基于最優(yōu)簇頭數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議探討

羅俊杰

四川大學(xué)電子信息學(xué)院 四川 成都 610065

1 介紹

由于給傳感器節(jié)點(diǎn)的電池充電基本上是不可能的，因此路由協(xié)議應(yīng)該以一種節(jié)能的方式設(shè)計，其中路由算法起著至關(guān)重要的作用。

[1]中提出了LEACH協(xié)議，LEACH算法通過隨機(jī)產(chǎn)生簇頭的方式對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，但由于簇頭節(jié)點(diǎn)選擇的隨機(jī)性，因此可能存在低能量節(jié)點(diǎn)也被選舉為簇頭的情況，這加速了節(jié)點(diǎn)的死亡。[2]中提出了R-LEACH協(xié)議,該協(xié)議在選擇簇頭的階段考慮了節(jié)點(diǎn)初始能量、節(jié)點(diǎn)的剩余能量和最優(yōu)簇頭數(shù)這三個重要因素。本文在R-LEACH的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了最優(yōu)簇頭數(shù)的計算方法，并綜合考慮了節(jié)點(diǎn)到基站的距離以及節(jié)點(diǎn)的初始能量和剩余能量[1]。

本文的剩余部分結(jié)構(gòu)如下：第二節(jié)介紹了系統(tǒng)模型。第三節(jié)提出了我們的改進(jìn)算法。第四節(jié)展示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后第五節(jié)得出結(jié)論以及對未來的展望

2 系統(tǒng)模型

本文和R-LEACH協(xié)議一樣，整體采用的都是LEACH協(xié)議的結(jié)構(gòu)。LEACH協(xié)議中每個節(jié)點(diǎn)在第一輪開始之前，隨機(jī)產(chǎn)生一個介于0到1的數(shù)，如果產(chǎn)生的數(shù)小于LEACH協(xié)議給定的閾值，則該節(jié)點(diǎn)將成為簇頭。的公式如下：

其中 為節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，d為該節(jié)點(diǎn)到基站的距離，M為網(wǎng)絡(luò)的尺寸大小，為簇頭壓縮融合數(shù)據(jù)消耗的能量，m在R-LEACH中代表每個簇的簇頭個數(shù)，即m=1。

3 改進(jìn)的算法

本文做了如下假設(shè)：網(wǎng)絡(luò)由n個節(jié)點(diǎn)和1個基站組成，n個節(jié)點(diǎn)均勻部署在M×M的網(wǎng)絡(luò)中。

本文將提出一種改進(jìn)的協(xié)議，綜合簇形成階段和穩(wěn)態(tài)階段計算出，同時還考慮了節(jié)點(diǎn)到基站的距離[2]。

然而，上述表達(dá)式是基于整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都存活的情況下得出的最優(yōu)簇頭數(shù)，隨著節(jié)點(diǎn)開始死亡后，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)也在減少，因此為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化，決定用當(dāng)前存活節(jié)點(diǎn)數(shù)代替n。

所以節(jié)點(diǎn)i成為簇頭的概率為：

MODR-LEACH協(xié)議中簇頭選擇的時候還考慮到了節(jié)點(diǎn)距離基站的距離這一因素。所以改進(jìn)之后閾值為：

4 仿真

本文的仿真實(shí)驗(yàn)在matlab上模擬的。

表1 具體參數(shù)設(shè)置

圖1展示了M O D R-L E A C H協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命，并與LEACH、RLEACH協(xié)議作比較。模擬結(jié)果表示，提出的MODR-LEACH協(xié)議與R-LEACH協(xié)議比較時，在網(wǎng)絡(luò)壽命上提升了63%。

圖1 網(wǎng)絡(luò)壽命

圖2展示了三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能量消耗?？梢钥闯鯩ODRLEACH協(xié)議消耗能量的速度確實(shí)比R-LEACH和LEACH更慢，網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的效果更好。

圖2 網(wǎng)絡(luò)能量

5 結(jié)束語

本文提出的協(xié)議改進(jìn)了R-LEACH的關(guān)于簇頭數(shù)的計算方法，在簇頭數(shù)的計算上不僅考慮了網(wǎng)絡(luò)的簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的死亡，還用當(dāng)前存活節(jié)點(diǎn)數(shù)代替網(wǎng)絡(luò)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)，更準(zhǔn)確的得出對網(wǎng)絡(luò)能量有著重要影響的最優(yōu)簇頭數(shù)，同時本文還考慮了R-LEACH沒有考慮的節(jié)點(diǎn)距基站的距離這一因素，綜合這幾個因素對閾值進(jìn)行調(diào)整。通過仿真比較分析發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的協(xié)議相比R-LEACH協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)壽命上提升了63%，在剩余能量上提升了60%。所以本文提出的協(xié)議在節(jié)能方面具有較好的表現(xiàn)。