一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法研究

　　隨著微電子工藝和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的研究越來越受到人們的重視。傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor network)是由部署在觀測環(huán)境附近的大量微型廉價(jià)低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式組成一個(gè)多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在人無法接近或者高危險(xiǎn)區(qū)域，且數(shù)量眾多，這使得隨時(shí)更換節(jié)點(diǎn)能量變得非常困難。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的相關(guān)信息，通常攜帶一次性電池且能量有限，在經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)采集后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在嚴(yán)重的能量約束問題。所以，傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要高效地使用傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，延長網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間。將傳感器節(jié)點(diǎn)組織成簇的形式，以有效地減少能量消耗，許多能量高效的路由協(xié)議都是在簇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

　　LEACH是一個(gè)典型的自適分簇協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)方式自組織形成簇，在分配給的時(shí)隙向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)，簇首對收到的數(shù)據(jù)融合后在每幀結(jié)束后直接與基站通信。節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任簇首，均衡了網(wǎng)絡(luò)的能耗，但簇首在當(dāng)選時(shí)，沒有考慮節(jié)點(diǎn)的能量高低，若節(jié)點(diǎn)能量很低，仍要擔(dān)當(dāng)簇首時(shí)，會加速它死亡。另外，數(shù)據(jù)直接發(fā)送到基站，會使距基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)能耗很大，導(dǎo)致局部節(jié)點(diǎn)提前死亡，產(chǎn)生監(jiān)控盲點(diǎn)。

　　由于LEACH算法沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量及與基站的距離等因素，很多文獻(xiàn)提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法，如EBAC胡是在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，周期性地選用當(dāng)前輪剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任下一輪簇頭。LEACH-D是基于LEACH的多跳路由算法。文獻(xiàn)[6]提出了構(gòu)建能量均衡簇群的方法，LEACH-L綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的位置和能量的多跳路由算法。

　　本文在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，以降低簇頭直接和基站遠(yuǎn)距離通信的能量損耗為首要目標(biāo)，同時(shí)在二層簇頭選擇時(shí)綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量和基站的距離．并且改進(jìn)了簇頭間的多跳路徑，避免使用低能量的節(jié)點(diǎn)。通過Matlab仿真表明，該算法能進(jìn)一步均衡簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

　　1 系統(tǒng)模型

　　N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在一個(gè)正方形區(qū)域內(nèi)，周期性地收集周圍環(huán)境信息，并且具有如下性質(zhì)：

　　(1)所有傳感器節(jié)點(diǎn)部署后不再移動，且都有1個(gè)惟一的標(biāo)識ID；

　　(2)基站惟一，且位于離采集區(qū)域較遠(yuǎn)的一個(gè)固定位置；

　　(3)所有節(jié)點(diǎn)具有相似的能力(處理／通信)，都具備數(shù)據(jù)融合功能；

　　(4)若已知對方的發(fā)射功率，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收信號的強(qiáng)度計(jì)算出發(fā)送方離它的近似距離；

　　(5)節(jié)點(diǎn)的能量不能補(bǔ)充，節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可控。

　　這里采用與文獻(xiàn)[2]相同的無線通信模型：根據(jù)距離閾值d0，分別采用自由空間模型和多路衰減模型。發(fā)送方發(fā)送k比特的數(shù)據(jù)到距離為d的接收方所消耗的能量為：