无线传感器网络LEACH协议簇头选举能量消耗研究

廖明华, 张 华

(1.湖南财政经济学院信息管理系, 湖南长沙 410205; 2.湖南大学信息科学与工程学院, 湖南长沙 410082)

1 引言

无线传感器网络是由部署在监测区域中大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统,由于微型传感器节点本身能量受限,使无线传感器网络路由有区别于传统网络的显著特征,节能也往成为其路由协议中首要考虑的因素.

无线传感器网络路由协议主要分为以数据为中心的平面路由、网络分层路由、基于查询的路由、地理位置路由和能量感知路由[1],在这些路由协议中LEACH[2](Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议是一个能量利用较高的分层路由协议,由于在LEACH协议中需要不断的进行分簇,因此,由于分簇带来的能量消耗对整个协议的能量消耗和网络寿命都有十分重要的作用,本文首先对LEACH协议的原理作了简单介绍,对LEACH协议的簇头选举过程的能量消耗进行了详细研究,并和原协议做了对比分析.

2 LEACH路由协议分析

LEACH协议的基本思想是以循环的方式随机选举簇首节点,将网络的能量负载均匀的分配到网络的每个节点上.LEACH协议将整个网络周期分为“轮”和“周期”,每一轮由初始化和稳定数据传输两个阶段组成[3],每一轮都随机选择一个簇首,选举机制为：每个传感器节点随机选择一个0～1之间的随机数,如果小于给定的阈值T(n),则选举为簇首,其中阈值的计算方法为[2]：

P=k/N,是节点选为簇头的概率,k是簇头个数,N为网络中节点的个数,r为当前“轮”数,G是r-1轮未担任过簇的节点集.显然,通过这种机制,没有担任过簇头的节点随着轮数的增加,其阈值T(n)也会越大,担任簇头的概率也越大,最终保证在连续1/p轮中每个节点都能担任一次簇头.

LEACH协议在稳定数据传输阶段,其物理模型采用了一阶序电模式[2](first order radio model),假设传感器接收或发射长度为m(bit)的数据,接收机消耗的能量为：

Eelec为接收电路或发射电路处理1bit数据消耗的能量,d为传输距离,d0为距离的阈值.

发射机所用的能量为：

εfs为近距离发射放大器参数,εamp为远距离发射放大器参数.

由于LEACH协议中只考虑了网络中采集到的数据的处理和发送,没有考虑网络在运行过程中发送控制信号所消耗的能量,根据LEACH协议的机制,每一轮都要进行簇头的选举,在簇头选举过程中,节点之间要相互交换信息,发送控制数据包,因此,带来的能量消耗是不能忽略的.

3 簇头选举的能量消耗及对网络生命周期的影响

根据文献[3]的能量消耗模型,本文进一步可以计算出簇头选举过程中的能量消耗.为了简化描述,假设在簇头选举过程中所有节点以最大功率发射信号,簇头数为k,控制信号为h个字节.非簇头节点的能量消耗包括：非簇头节点接收广播信号的能量消耗Enochrecm、非簇头节点发送加入簇信息的能量消耗Enochsend、成员接收簇头TDMA信号的能量消耗Enochrect;簇头节点的能量消耗包括：簇头广播数据的能量消耗Echsendm、簇头接收成员信息的能量消耗Echrec、簇头发送TDMA信号的能量消耗Echsendt,簇头广播信息阶段采用多路径衰减信道模型,簇头和簇成员通信采用自由空间信道模型[4].

Enoch为非簇头节点能耗,d为到簇头节点的距离,alive为存活节点数.

簇头节点的能量消耗,采用多路径衰减信道模型：

Ech为簇头节点的能量消耗,do节点最大发送距离.

式 (4)和式 (5)表明,簇形成过程中的能量会消耗节点的部分能量.

4 仿真实验

在LEACH协议的基础上,将网络发送控制数据包的能量消耗加入进来,网络模型如下：传感节点随机分布在一个正方形区域;传感器节点同构,具有全网唯一的Id号,能量受限,节点静止;基站固定;节点可通过单跳或多跳的方式与基站通信;无线发射功率可调,仿真过程不考虑数据的错误重发.实验参数如表1,为了便于说明,本文用LEACH-P表示考虑了簇头形成过程中能量消耗的LEACH协议.根据文献[3]提出的参数：FND(first node dies)和HNA(Half nodes alive)来衡量网络生命周期.

表1 实验参数

4.1 网络生命周期

图1表明,当考虑了网络形成过程中的能量消耗后,在时间上来看,FND和HNA都有一定程度的提前,虽然当存活节点数在10个左右时,两者的性能才趋于相近,但从图中发现,这段时间内,存活节点曲线几乎是一条水平线,也就是说没有节点死亡,其原因在于,在这段时间,由于存活的节点少,根据LEACH协议的组簇原理,实际上很多轮都未产生簇头,说明网络在这段时间虽然还有存活节点,但网络已经失去了应用意义,因此簇形成过程中的能量消耗影响了网络的生命周期.

图1 网络存活节点数比较

4.2 能量消耗

图2 网络剩余总能量比较

图2表明,在整个生命周期内,LEACH-P的能量消耗比LEACH网络的能量消耗要大.

5 结束语

本文对LEACH协议簇形成过程中的能耗进行了分析,通过实验表明LEACH协议在簇形成过程中的能量消耗是整个网络能量消耗一个不可忽略的部分,在今后进行节能算法研究时,如何减少簇形成过程中的能量消耗,应该是我们研究方向之一.

[1]王殊,阎毓杰等.无线传感器网络的理论及应用 [M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[2]Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrisham H.EnergyefficientCommunication ProtocolforWirelessMicrosensor Networks[C].In Proceeding of the 33rdAnnual Hawaii Int'l Conf.on System Sciences.Maui：Ieee Computer Society,2000：3005-3014.

[3]Akcan H,Bronnimann H.Anew deterministic data aggregation method for Wireless Wensor Networks[J].Singnal Processing,2007,87(12)：2965-2977.

[4]Rappaport T.Wireless Communications：Principles and practice[M].NewJersey：Prentice-HallInc,1996.