【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)的無線路由協(xié)議不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原因是因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。關(guān)內(nèi)容；將一些典型的路由協(xié)議進(jìn)行了分析和比較；在此基礎(chǔ)上深入分析了LEACH協(xié)議，這些問題都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)壽命。舉簇頭節(jié)點(diǎn)，選出最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，減少能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。最后通過NS2仿真對(duì)比LEACH

　　

【正文】 時(shí)間 考慮的話， LEACH 協(xié)議 和 TEEN 協(xié)議 在 生存周期 方面要 比 其他 協(xié)議 的存活時(shí)間長(zhǎng)得多 ， 在 相同 能量供給的情況下，說明 兩種 協(xié)議 具有更好 的節(jié)能效果 ， 在 路由算法方面具備更大的 優(yōu)勢(shì) ， 對(duì)于 無用的能量 較少了消 耗 ，由此 提高了 對(duì)于 能量的 使用 率。擴(kuò)展性方面 DD 協(xié)議和 TEEN 協(xié)議要優(yōu)于其他協(xié)議； 在安全機(jī)制方面 ,以上協(xié)議 都 有待進(jìn)一步的研究 ；在服務(wù)質(zhì)量 (Quality of Service， QoS)方面，只有 SAR 協(xié)議考慮到這個(gè)問題 。不過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能問題將是首要考慮的問題 ， 也是研究的重中之重。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 4 章 層次路由 協(xié)議 的研究 和改進(jìn) 研究方向 本文選擇 對(duì) 層次 路由協(xié)議進(jìn)行研究的原因是，層次路由協(xié)議相 對(duì)于平面路由協(xié)議采用多層的分簇結(jié)構(gòu)，并且層次路由協(xié)議具有：把通信局限在簇內(nèi)，減少長(zhǎng)距離無線通信；它可以采用數(shù)據(jù)融合機(jī)制，在簇頭把成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和壓縮，來有效減少在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸數(shù)據(jù)量，以此減少網(wǎng)絡(luò)能耗，達(dá)到延長(zhǎng)生命周期的目的；還具有很好的可擴(kuò)展性。因此，本文選擇研究層次路由協(xié)議。 而 相關(guān)的研究證明層次 簇 能有效的降低網(wǎng)絡(luò)的能耗 ，并且 LEACH 又是一種經(jīng)典的層次簇協(xié)議 ， 所以我選擇對(duì) LEACH 協(xié)議進(jìn)行研究。 LEACH 屬于 分層路由協(xié)議 ， 節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)大量的路由信息，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的均衡性； LEACH 中 簇頭的選擇是隨機(jī)的，合理的分擔(dān)了通信能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間； LEACH 是分布式的路由協(xié)議，具有很好的自適應(yīng)性和擴(kuò)展性。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)采取電池供電，且節(jié)點(diǎn)的電池難以更換。因此節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究。 而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗又與能量模型相關(guān)，因此首先介紹 計(jì)算 LEACH 能耗時(shí)所用的 能量模型： 能量模型 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)消耗的能量與傳輸?shù)木嚯x有關(guān)。也就是通過節(jié)點(diǎn)能量模型。節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)木嚯x和能量的關(guān)系。 本文和文獻(xiàn)使用相同的無線通信模型 [27]。 do 值的計(jì)算如公式 。如果 dod? ，則節(jié)點(diǎn)的能耗和距離的平方成正比；如果 dod? ，則節(jié)點(diǎn)的能耗和距離的四次方成正比。上面兩種模型分別為自由空間模型 (free space)和多路徑衰落模型 (multipath fading)。節(jié)點(diǎn)的能耗是非線性的，節(jié)點(diǎn)發(fā)送 bitsk? 數(shù)據(jù)消耗的能量的如公式 ()所示： mpfsEEdo? () ????? ????? ???????? dod 。 do 。),()()(42ifdEkEk difdEkEkdkEkEkE mpe l c fse l cam pe l ctr () 由公式 ()可知節(jié)點(diǎn)的能耗與距離的平方和四次方成正比，所以節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)候，將通信的距離限制到 do以內(nèi)，可以降低能耗 ，其中 fsE 代表有效接收功率， mpE 代表發(fā)射增益， d代表傳輸距離， do代表傳輸?shù)拈T限值 。 傳感節(jié)點(diǎn)接收 kbits數(shù)據(jù)消耗的能量如公式 ()所示 [28]： 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 elcrx EkkE ??)( () 由無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量模型可知 [29]，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)能量消耗為 senseE ，空閑時(shí)間能量消耗為 idleE ，睡眠時(shí)間能量消耗為 sleepE ，簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的能量消耗為 DAE 。接收端可以接收到信號(hào)的門限值為 CSThresh ，而可以正確解碼的門限值為 RXThresh 。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗的能量最大，而睡眠和數(shù)據(jù)融合消耗的能量遠(yuǎn)小于發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗的能耗。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，網(wǎng)絡(luò)的平均距離增大，由節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型可以，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗的能量最大。在大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，全局廣播簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量大量的能耗。因此在大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)中如何降低網(wǎng)絡(luò)的平均距離成為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要因素之一。 介紹完能耗的計(jì)算， 本文接下來分析 LEACH路由協(xié)議，而在第二章中已粗略的講過 LEACH路由協(xié)議，因此，下面就先講講 LEACH協(xié)議的算法體系結(jié)構(gòu)。 LEACH 協(xié)議的算法體系結(jié)構(gòu) LEACH路由協(xié)議通過特定的簇首選舉算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)地劃分為若干個(gè)獨(dú)立的簇單元。簇首需要承擔(dān)接收、融合、轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)數(shù)據(jù)的任務(wù) ， 所以與普通節(jié)點(diǎn)相比 ，簇首的能耗更大。為了平衡全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能耗 ,LEACH協(xié)議釆用“輪”的模塊化程序設(shè)計(jì)思想 ， 全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn) ， 有效地平衡了網(wǎng)絡(luò)的能耗。 LEACH路由協(xié)議的每一個(gè)輪轉(zhuǎn)周期由簇建立階段和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階 段這兩個(gè)階段構(gòu)成。簇建立階段指的是簇的初始化階段 ， 而穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段是指當(dāng)分簇完成后 ，各節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至其簇首節(jié)點(diǎn) ， 由簇首將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站的工作階段。 簇 建立階段 LEACH路由算法中的簇首節(jié)點(diǎn)選舉至關(guān)重要 ， 雖然其產(chǎn)生帶有隨機(jī)性 ， 但必須滿足以下條件 ： 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都不能重復(fù)擔(dān)任簇 首 ， 除非其余網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在過去的輪轉(zhuǎn)中均已擔(dān)任過簇首。只有滿足了上述條件 ， 才能保證網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能以較為均等的概率成為簇首。除此之外 ， 簇首節(jié)點(diǎn)的選舉結(jié)果還與簇首占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值密切相關(guān)。 在簇建立階段 ， 首先 ， 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè) 0到 1之間的數(shù) ， 如果該隨機(jī)數(shù)小于所設(shè)定的閾值 T(n)， 則該節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為本輪的簇首節(jié)點(diǎn) ， T(n)計(jì)算公式如下 : () 其中 ： p表示簇首總數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值 ， r為當(dāng)前的輪數(shù) ， G表示在過去的 1/p個(gè)輪轉(zhuǎn)周期中還未當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)集合。 rmod(1/p)表示未當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。當(dāng) r 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 = 0時(shí) ，所有節(jié)點(diǎn)成為簇 首的概率都為 P，一旦節(jié)點(diǎn)在某輪當(dāng)選為簇 首 ， 那么它在下面的 1/p輪中都不能再次被選舉為簇首 ； 當(dāng) r = (l/p)l時(shí) ， T(n) = 1，網(wǎng)絡(luò)中沒有擔(dān)任過簇 首的節(jié)點(diǎn)在本輪成為簇首的概率為 1。當(dāng)經(jīng)過 1/p輪后 ， 所有節(jié)點(diǎn)重新以相等的概率競(jìng)選簇首。 節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇 首后 ， 就立即向全網(wǎng)廣播簇首當(dāng)選消息 ， 此時(shí) ，非簇首節(jié)點(diǎn)打開無線接收器以持續(xù)接收來自簇 首的廣播消息 ， 非簇首節(jié)點(diǎn)選擇廣播信號(hào)強(qiáng)度最大的簇 加入 ， 并且向該 簇 首發(fā)送請(qǐng)求入簇消息。簇 首節(jié)點(diǎn)接收來自普通節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求入簇消息 ，并且根據(jù)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的數(shù)目創(chuàng)建 TDMA時(shí)隙表 ， 同時(shí)簇首還需要確立簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的CDMA (Code Division Multiple Access)編碼方式。然后 ， 簇 首節(jié)點(diǎn)將 TDMA時(shí)隙和CDMA編碼方式一同發(fā)送給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn) ， 請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)收到簇首的數(shù)據(jù)包后 ， 正式成為簇成員節(jié)點(diǎn)。至此 ， 續(xù)建立階段工作完成 ， 該階段的詳細(xì)流程如圖 41所示。 網(wǎng) 絡(luò) 初 始 化簇 首 節(jié) 點(diǎn) 向 周 圍 節(jié) 點(diǎn) 廣播 自 己 的 狀 態(tài)節(jié) 點(diǎn) i 是 否 是簇 首 節(jié) 點(diǎn)穩(wěn) 定 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸 階 段發(fā) 送 加 入 請(qǐng) 求 數(shù) 據(jù) 包 給選 擇 的 簇 首 節(jié) 點(diǎn)創(chuàng) 建 T D M A 時(shí) 隙 表 ， 并發(fā) 送 給 簇 內(nèi) 成 員 節(jié) 點(diǎn)等 待 加 入 某 一 個(gè) 簇等 待 簇 首 T D M A 時(shí) 隙 表等 待 加 入 消 息YN 圖 41 LEACH協(xié)議簇建立階段流程圖 穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段 成員節(jié)點(diǎn)接收到簇首給其分配的 CDMA編碼方式和 TDMA時(shí)隙后 ， LEACH協(xié)議就進(jìn)入到穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段。節(jié)點(diǎn)持續(xù)獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) ， 并且在給定的 TDMA時(shí)隙內(nèi)完成向簇首節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)。為了降低節(jié)點(diǎn)能耗 ， 在傳遞完監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后 ， 成員節(jié)計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 點(diǎn)關(guān) 閉其信號(hào)發(fā)射器 ， 并且進(jìn)入睡眠狀態(tài)。簇首節(jié)點(diǎn)需要融合處理接收到的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù) ， 以便除去數(shù)據(jù)中的冗余部分 ， 從而降低續(xù)首節(jié)點(diǎn)因傳輸冗余數(shù)據(jù)而增加的額外能耗。最后 ， 簇首節(jié)點(diǎn)將處理后的數(shù)據(jù)傳遞至基站。整個(gè)穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段的工作流程如圖 42所示。 穩(wěn) 定 數(shù) 據(jù) 傳 輸 階 段 開 始在 非 自 身 時(shí) 隙 內(nèi) 處于 睡 眠 狀 態(tài)節(jié) 點(diǎn) 是 否 為 簇 首 ？接 收 成 員 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 送的 數(shù) 據(jù)進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 融 合 并 將數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 基 站在 簇 首 分 配 的 時(shí) 隙內(nèi) 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)Y N 圖 42 LEACH協(xié)議穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段流程圖 基站完成全網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收工作后 ， 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪的工作周期。為了盡可能的降低網(wǎng)絡(luò)能耗 ， 在一般情況下 ， 數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸階段的持續(xù)時(shí)間比簇建立階段要長(zhǎng)。 LEACH 協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn) 分析 (1) 簇頭結(jié)點(diǎn)接收簇成員發(fā)送的數(shù)據(jù)包，然后簇頭節(jié)點(diǎn)融合數(shù)據(jù)后發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)，有效降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量。 (2) LEACH 采用基于 TDMA/CDMA的協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)包，通過該技術(shù)能有效的降低發(fā)生碰撞的次數(shù)。 (3) LEACH通過選舉簇頭方式，每隔一定的時(shí)間就重新選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，從而均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗。 盡管 LEACH能有效的提升網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但是 LEACH協(xié)議也存在一些缺點(diǎn)： (1)由于 LEACH 假定所有節(jié)點(diǎn)能夠與匯聚點(diǎn)直接通信，因此 LEACH協(xié)議不適合大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)。 (2)LEACH協(xié)議隨機(jī)選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)分布隨機(jī)，簇大小不均勻。 LEACH 代碼分析 首先對(duì) ，先對(duì)默認(rèn)的腳本選項(xiàng)進(jìn)行初始化： if {$id != $opt(nn_)} { 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 puts nonewline $id //important set node_($id) [new MobileNode/ResourceAwareNode] } else { puts ($opt(nn_) == BS) set node_($id) [new MobileNode/ResourceAwareNode $BS_NODE] } 如果不是簇頭節(jié)點(diǎn)則將 $opt(nn_)1個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為一般節(jié)點(diǎn)，將 $opt(nn_)設(shè)置為 BS節(jié)點(diǎn)。 newMobileNode/ResourceAwareNode函數(shù) 在 中。 接下來 我們分析newMobileNode/ResourceAwareNode函數(shù)。 set node $node_($id) if {$id != $opt(nn_)} { //Set initial node energy. if {$opt(eq_energy) == 1} { $node setenergy $opt(init_energy) $opt(thresh_energy) } else { 由于 eq_energy在 leachtest中給定，將 eq_energy=1；則每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì) 對(duì) 節(jié)點(diǎn)的初始能量和門檻能量 進(jìn)行設(shè)置 。 set high_e_nodes [list 97 19 12 87 8 22 83 55 34 72] if {[lsearch $high_e_nodes $id] == 1} { set E 2 } else { set E 200 } $node setenergy $E $opt(thresh_energy) set initf [open $opt(dirname)/ a] puts $initf $id\t$E close $initf 將不屬于 list中的能量初始化能量設(shè)置為 2，將屬于 list中的能量設(shè)置為 化能量寫到 ，將節(jié)點(diǎn) id和節(jié)點(diǎn)初始能量寫進(jìn)去。 else { Base station has an infinite amount of energy. $node setenergy 50000 $opt(thresh_energy) } 將基站節(jié)點(diǎn) 的初始化能量設(shè)置為 50000，能量無限。 計(jì)算機(jī)信息工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 到此為止，創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)完成并將每個(gè)節(jié) 點(diǎn)的能量初始化完成。 降下來 分析 腳本。 接下來是配置節(jié)點(diǎn)信道和跟蹤文件： $ns_ at $node_($id) startapp ns在 0的時(shí)候啟動(dòng)應(yīng)用，應(yīng)用在 分析。 當(dāng) 創(chuàng)建好節(jié)點(diǎn)和設(shè)置好節(jié)點(diǎn)的初始能量 后 ， opt(nn_)1個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為普通節(jié)點(diǎn)，而將 opt(nn_)設(shè)置為 bs節(jié)點(diǎn) 。 接下來 對(duì) 進(jìn)行分析。 Class MobileNode/ResourceAwareNode superclass Node/MobileNode MobileNode/ResourceAw