无线传感器网络lech协议的能耗分析与协议设计

无线传感器网络lech协议的能耗分析与协议设计

0节点能耗模型无线传感器网络整合了传感器、微电机系统和网络三个关键技术。它利用内置形状的传感器来测量环境中的热、外观、声音和雷达，包括温度、湿度、速度、光强度、压力等。由于它成本低、体积小、能耗少的特点，成为远程监测领域越来越受重视的工具，广泛应用于军事、环境科学、医疗以及空间探索等生产生活的重要部门。层次型路由协议是无线传感器网络中一种能量有效的路由协议，这类协议将所有的节点分为若干簇，每个簇选举一个首领(又称簇头)，簇内节点采集信息发送给簇头，由簇头进行数据融合后将信息转发给Sink节点。这样能够减少数据通信量，由于大部分节点在相当长的时间关闭通信模块，所以能够显著延长整个网络生存期。LEACH、PAGASIS、TEEN和DEEC都属于这类协议。本文通过定量分析节点能耗，建立了节点的能耗模型，分析出了造成LEACH网络中节点之间能耗不均的原因，在此基础上提出了改进方法。本文首先介绍了研究背景；然后剖析了LEACH协议并找出了造成能耗不均的原因；提出了LB-LEACH协议；并对所提出协议进行了仿真实验及分析；最后进行总结并对未来工作进行展望。1节点间通信的信号解析Low-energyAdaptiveClusteringHierarchy(LEACH)是层次型路由协议的代表，是一种自适应分簇拓扑算法。它的研究基于以下前提：(1)所有节点同构且能量自持；(2)所有节点都能直接与Sink通信；(3)节点能够控制发送能量，并能够支持多种不同的MAC协议；(4)节点间的通信是对称的：A发信息给B与B发信息给A需要消耗相同的能量。LEACH的执行是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地成簇，用以下方式随机产生簇头(clusterhead,CH)：节点产生的随机数，如果这个数小于阈值T(n)，则广播自己是簇头的ADV消息，T(n)的计算公式如下式中：P——成为CH的概率，r——现在的轮数，G——在过去的(rmod1/P)轮中还没有做过CH的节点集合。非簇头节点(clustermember,CM)收到消息后根据自己与CH之间的距离或收到广播的先后顺序来选择加入哪个簇，并发送加入簇请求给CH。当CH接收完加入请求后，就产生一个TDMA定时信息连同本簇内使用的CDMA编码一起发送给所有CM，簇建立阶段完成。在数据通信阶段，CM在自己的TDMA时槽内发送数据包给CH,CH收集齐CM的数据包后，运用数据融合算法处理数据，并将结果发送给Sink节点。图1是LEACH的运行过程图。2信号放大器内消耗的能量LEACH采用的是无线传感器网络中通常采用的一阶无线模式，其能耗模型如图2所示。在这种模式下，节点发送k比特的数据消耗的能量为其中：Eelec——电路消耗的能量，d——发送者与接收者的距离，d<d0时r=2,d≥d0或干扰较大时r=4。是在信号放大器内消耗的能量比例系数，随着d变化，取不同值：d<d0时取。接收K比特的数据需要的能量为2.2簇间节点数量的不均衡假设节点总数是，均匀分布在的区域内，本轮中CH的个数为，则平均每个簇中的CM个数为，每个CM节点在一个内采集发送的数据为比特。融合1比特数据消耗的能量为EDA，数据融合的比例为:1。那么在一个frame中，CH消耗的能量为(7)式推导可参见文献。根据(7)式以及LEACH的实验证明，簇头占节点总数的5%时为最优，也就是说每个簇中CM与CH之比为19:1时最优。当然，这是在理想状态下。实际情况是，LEACH协议由于CH分布的不均衡，造成了簇与簇之间节点数量的严重不均衡，文献的实验结果也证明了这一点。为便于比较，取一轮运行中两个簇进行研究，假设两个簇头标识CHID分别为i、j，簇中CM个数为，则两个簇的frame大小之比为。设一轮的数据传输时间为，每个CM分配的时槽长度是，则由(5)式得，在一轮内，簇i中一个CM节点消耗的能量为由式(8)可知，i和j中的与各自CH距离相同的CM节点在一轮内消耗能量之比为:，也就是说簇内CM数目越少，在这一轮内CM消耗的能量越多，因为采集以及发送数据的次数要多。LEACH的实验也说明，簇与簇间的CM数大多分布不均衡，经常出现最小簇内CM个数小于10而最大簇内CM个数大于30的情况，这样两簇内CM能耗之比大于3:1。由(4)式可得，簇头i在一轮内消耗的能量为由(9)可知，CH消耗的能量取决于两个因素：(1)CH与Sink之间的距离，CH距离Sink越远，消耗的能量越多；(2)簇中节点的数目，簇中节点数量越多，CH消耗的能量越少。综合以上因素可以看出，簇间节点数量的不均衡以及地理位置的差异造成了节点能耗不均衡。能量消耗不均衡造成一些节点过早死亡，使网络中总的节点数减少，由式(8)和式(9)可知，这样将进一步加速了剩余节点的死亡。3基于adv的分簇过程由于LEACH采用轮转法选举簇首，每个节点都要做CH，在节点固定不动的情况下，与基站的距离这方面的差异无法弥补。基于上述分析，本文提出了负载平衡LEACH协议(即LB-LEACH)，它的提出基于如下两个原则：(1)尽量保证簇间节点数量的平衡；(2)在(1)的前提下，若簇间节点的数量未能达到均衡，则要使距离Sink较远的簇有较多的节点，这样处理的目的一是使距离Sink较远的节点在做CM期间尽量少的消耗能量，二是减少距Sink较远的CH节点的数据发送，从而减少能耗。LB-LEACH是在原有LEACH协议的基础上对分簇机制进行了改进，将分簇阶段分为多个时槽，时槽长度能够保证完成规定的工作。新协议定义了边界节点，使它们有选择性地加入簇，来达到均衡簇间节点数量的目的；改进后的协议分簇更加均衡，在无法保证分簇绝对均衡的情况下，使距离Sink较远的簇的CM个数较多，这样可以调整与Sink距离不同的簇的能耗，平衡网络负载。记本轮运行中CH的集合为CH＿SET，首先做如下定义：定义1在分簇过程中，CM节点只收到一个CH节点的ADV广播信息，或收到多个CH节点的ADV信息，但其中一个信息的信号强度明显强于其它信号，称此CM节点(记作i)是这个CH节点(记作J)的内核节点，记做i∈Core＿SET(J)(J∈CH＿SET)。定义2在分簇过程中，CM节点收到两个或两个以上CH节点的ADV广播信息，且其中两个或多个信息的信号强度相差不大，则从中选取信号强度最大的两个J和K，若为信号强度，Esignal(J)为较小者)称这个CM节点i是CH节点J和K的边界节点，记做i∈Border＿SET(J)，i∈Border＿SET(K)(J,K∈CH＿SET)。其中为能量阈值，它的值取决于网络中节点的分布密度。否则记为：i∈Core＿SET(K)(K∈CH＿SET)。新协议对LEACH协议的分簇过程进行了细化，将分簇过程分为多个时槽，图3是LB-LEACH协议的执行过程图。LB-LEACH协议工作过程如下：(1)Tslot：一轮开始，网络内所有节点产生间的随机数，并与T(n)比较，若小于T(n)则以相同的能量Ebroadcast广播ADV信息宣布自己是CH。对于CM节点i，若i∈Core＿SET(J)(J∈CH＿SET)，那么i根据收到广播信号的强度选择一个保证能够到达J的发射强度向J发送Join-Request加入信息。若i∈Border＿SET(J)且i∈Border＿SET(K)，说明i是簇J和K的边界节点，则i节点暂不发送信息。(2)Sslot:i∈Core＿SET(J)(J∈CH＿SET)sleep()。CH计算已经申请加入的CM节点个数count(CHID)，并以Ebroadcast的强度广播一个信息，该信息中包含<CHID,count(CHID),dtoBS>。边界节点i收到两个或多个广播后进行以下处理：(1)计算收到两信息的信号强度之比，与能量阈值进行比较，若仍满足i∈Border＿SET(J)且i∈Border＿SET(K)则转(2)；若根据信号强度计算i不再是边界节点，则i选择信号最强的簇发送加入信息，等待W时槽来临；(2)设count(J)≥count(K)，若count(J)-count(K)≥，则向K发送加入信息；count(J)-count(K)<，则比较两者到BS的距离dtoBS，选择距离Sink较远的CH加入。其中为阈值，一般设定(4)DataTransmission:CM节点采集数据信息并在分配给自己的时槽内将数据发送给CH,CH节点对数据进行融合后发送给Sink节点。一轮执行完之后，又重新按该算法进行分簇及传送。新协议对原有LEACH协议的分簇过程进行了分解，分解后的分簇过程分为多个时槽，每个节点在没有自己参与的时槽内进行睡眠，减少不必要的能耗。通过两次计算来确定节点是否是边界节点能够排除外界有干扰的情况，提高精确度。新协议在能耗上只比LEACH多了CH广播一次短信息包的能耗，达到了平衡簇间节点个数减少能耗的目的，而多出的这个能耗相对于数据发送阶段的能耗完全可以忽略不计。协议中的取值由节点的分布情况以及覆盖区域而定，这个值可以在布置节点时预先设定，也可以节点确定位置之后由Sink节点计算出一个最优值以广播的形式发送给节点。4网络生存时间使用OMNET++3.2P1作为仿真工具，这是一款面向对象的网络仿真软件。仿真平台在Windows下搭建，使用的是.NET+TCL/Tk的方式。实验中Node以及Sink采用简单组件，而LEACH以及LB-LEACH场景采用的是由Node和Sink组成的复合组件。实验在100*100的区域内随机分布了100个Node节点，节点的通信范围为100，假定每个节点都能计算出自己与Sink节点之间的距离，这在实际应用中可以使用GPS定位系统实现。LB-LEACH中取80%，而信号强度之比用距离平方的反比来表示。Sink节点在(50,10)的位置。在上述环境中对LEACH以及LB-LEACH做了对比仿真。采用一半节点死亡的时间作为网络生存时间的评价标准。因为若网络中一半节点死亡，剩余节点的能量已经很低，而网络的连通度也无法有效保证。网络生存时间的对比如图4所示。LB-LEACH下的网络生存时间为11315s，而LEACH的则为9621s，说明LB-LEACH在延长网络寿命上性能要优于LEACH;LB-LEACH第一个节点的死亡时间为3420s，晚于LEACH中的2568s，这也说明了均衡网络负载对避免节点的早死有一定作用。图5说明了Sink节点接收到数据包的情况以及网络的能耗，由图可知，LB-LEACH和LEACH在相同工作时间内传输的数据包基本相同，而在生存时间内，LB-LEACH发送数据包总数为30815个，而LEACH发送了26440个。而在同一时间内，LB-LEACH的能耗要小于LEACH的能耗。仿真实验证明，LB-LEACH的生存时间比LEACH提高了17.61%，而发送的数据包个数比LEACH提高了16.55%，且LB-LEACH首个节点死亡时间也晚于LEACH，这些数据说明LB-LEACH要优于LEACHㄢ5基于lb-le所有权的算法本文通过建立节点的能耗模型，对簇中节点能耗进行了定量分析，找出了LEACH中造成网络中能耗分布不均衡以及节点早死的原因，并针对这些不足对LEACH协议进行了改进，提出了LB-LEACH协议。新协议定义了边界节点和内核节点，通过边界节点的选择入簇实现了均衡分簇，使网络中节点的能耗更加均衡。OMNET++的实验证明，LB-LEACH在延长网络生存期、增加发送数据包个数以及避免节点早死方面具有较好的效果，实现了网络内的负