无线传感器网络路由协议研究

[摘要] 无线传感器网络是由传感器技术、计算机网络技术和微机电系统(mems)综合发展而来的一门新型信息采集和处理的新兴技术产物,其广泛应用于环境科学、国防军事、医疗健康等领域,日益受到国内外的关注。本文以典型的分簇式路由协议--leach协议作为研究对象,分析了leach协议的特点,并与异构分簇协议deec 协议进行了比较。模拟实验结果显示,与leach分簇协议相比,此分簇算法在异构网络下提供了更长的网络生存时间和更大的网络有效吞吐量。

[关键词] 无线传感器网络路由协议 leach deec 能量有效

1.研究背景和意义

无线传感器网络涉及了诸多学科高度交叉和众多知识高度集成的一门新兴技术,是当今研究的热点前沿领域无线传感器网络(wireless sensor network)是由随机部署在所监测区域内大量微型传感器节点通过无线通信技术组成的自组织网络,各传感器节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观测者。无线传感器网络集数据的采集、传输及融合分析于一体,是信息技术的一个新热点研究领域,在国防军事、环境监测、工农业、城市管理、生物医疗、抢险救灾、远程监控等领域具有广阔的应用前景及巨大潜在的应用价值,已经被认为对21世纪产生巨大影响的重大技术之一,成为一个公认的新兴热点研究领域。无线传感器网络路由协议研究设计的重要目标是降低节点能源损耗,提高网

络生存时间,这一重要目标已经成为无线传感器网络研究中的热点。

2.无线传感器网络的结构

无线传感器网络是由众多传感器节点以 adhoc(移动自组织、多跳网络)方式构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网络覆盖的地理区域中感知对象的各种信息,并发送给观测者。依据以上的定义,传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的三个组成部分;无线网络是传感器之间、传感器节点与观测者之间进行数据传送的通信基础,用于在传感器与观测者之间建立通信路径;

协作地感知、采集、处理、发送感知信息是无线传感器网络的基本功能。用户(观测者)通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据,无线传感器网络结构如图2-1所示:

3.leach 协议算法及deec协议实现仿真

(1)leach 协议算法 leach是一种分布式分级路由协议,其采用

所有节点周期性的轮流担任簇首节点的办法来达到使得所有节点

均匀消耗能量的目的,每一个节点通过一个概率来决定自己是否成为簇首节点,并保证每轮有相当数量的簇首节点。

图2-1无线传感器网络结构

(2) deec协议算法,deec算法是针对一般性的多级异构网络设计,通过以节点平均能量的估计值作为参考值,并根据剩余能量与参考值的比值自适应地调整簇首轮转周期,从而达到所有节点几乎同时

死掉的目的,比以往的方法具有更强的可操作性。在deec算法

中,deec使用节点的剩余能量水平来决定簇首节点的选举,使簇首

的选举适应能量的变化。 deec算法假定网络是多级异构的,节点的初始能量在闭区间[e0,e0(1+αmax)]内随机分布,每个节点按照其初始能量的不同具有不同的簇首概率门限值。设p表示优化簇首比例,ni表示节点si的簇首轮转周期,pi为节点si的簇首轮转周期ni的倒数,每个节点si按照其初始能量的不同取不同的加权概率: (3-1)

上式中,α表示高级节点初始能量超过正常节点初始能量的倍数,n为区域内传感节点数,ei(r)为节点si在第r轮的剩余能量,(r)网络的平均能量。在deec算法中,用表示节点si的基本轮转周期(我们称其为参考周期)。初始能量不同,相应的ii就不同。注意到ni=1/pi,上式表明根据剩余能量的变化,每个节点的轮转周期ni围绕其参考周期ii进行波动。如果e i(r)> (r),就有ni

(3)算法实现仿真及性能分析,利用matlab生成一个节点分布图,将100个节点随机分布在100m100m区域内,sink节点置于(50,50)处。通过matlab作为试验平台,对deec算法与leach算法进行仿真比较及性能分析。在簇首选举过程中,簇首数目的多少影响到簇的半径和簇内节点到簇首的通信距离,从而对网络耗能产生影响。

图3-1是leach算法与deec算法在每轮中簇首数目占总节点比例关系图。由图可以看出,deec算法在簇首选举中簇首产生数目都比leach算法多,也就是说,在deec算法中具有高初始能量和高剩余能量的节点将比低能量节点有更多的机会成为簇首节点,从而使网络的能量在演化过程中得到均匀的分布,提高了能量的有效性。

显然,deec算法较leach算法簇首数目较多从而更能够均匀网络能耗。无线传感器网络靠节点采集传输数据的,一旦有节点失效,网络整体性能也会随之衰退。节点能耗均匀能够在很大程度上提高网络的生存时间。由图3-2、图3-3分别比较了leach算法和deec算法网络生存时间、能量消耗的对比关系情况。从而可以看出,deec 算法不仅提高了网络生存时间,而且也较好地均衡了网络中所有节点的能耗。

图3-1 leach与deec两种算法的簇首占总节点比率关系图

图3-2 leach算法与deec算法网络生存时间对比关系图

图3-3图leach算法与deec算法网络能量消耗对比关系图

仿真结果表明,与leach算法相比,deec算法不仅提高了网络能量的有效性,延长了网络生存时间,而且均衡了网络节点的能耗,deec 算法性能优于leach算法。

4.结论

无线传感器网络有着巨大的发展前景,已逐渐成为计算机科学和通信科学研究中的一个热点领域。无线传感器网络路由协议设计的基本特点可以概括为:能量低、规模大、移动性弱、拓扑易变化、