基于能量收集技术的无线传感网络路由协议分析仿真

张俊超　柯峰

摘 要：本文将无线传感网络的能量采集模型进行综述，并对无线传感网络的两种路由协议进行仿真与比较，LEACH路由协议和HEED路由协议进行分析比较，HEED协议是基于LEACH协议的一种改进协议。LEACH协议没有能量意识，HEED在簇头选举阶段引入能量因素，节点生存周期明显有所延长。

关键词：无线传感网络；能量采集模型；LEACH协议；HEED协议

1 引言

无线传感网络（Wireless Sensor Network）是一种基于无线通信的字组织网络，网络自身的数据传递采用多跳通信。微型传感器节点协作感知，收集和处理网络检测区的数据，并将数据发送给基站。其具有低功耗，低成本，分布式工作，有自组织能力等优点。

传统WSN节点采用普通电池供电，电池的寿命决定了WSN的生命周期。WSN的能量采集成为了目前制约WSN大规模使用的最大因素。目前主要采用的工作模式为采取地占空比的周期性工作方式。占空比越低，节能越显著。但节能与延时等性能之间的矛盾越尖锐。对于具有环境采能的WSN，结合节点能量采集技术来研究具有能量与采集感知的WSN的分簇路由问题，将会取得更好得能效和收益。

2 能量采集模型

目前能量收集技术已逐渐成熟，使无线传感器网络节点能够从环境中收集能量。其中，最常用的有太阳能电池技术。

3 路由协议

3.1 LEACH路由协议

Leach是一种典型的分簇路由协议算法。它在每轮分簇中生成的cutout分布式随机的。主要过程如下：节点产生一个0～1之间的随机数，如果随机数小于阈值T（n），则向其它节点发布自己的簇头的信息。如果该节点已经当选过簇头，则需把阈值设为0，则此节点就不会再当选为簇头。对于为当选过簇头的节点，则以T（n）来决定是否当选。随着当选过簇头的节点数的增加，剩余节点当选簇头的阈值随之增大，节点当选簇头的概率增大。极端情况，当只剩一个节点为当选是，T（n）=1，表示这个节点一定当选。

T（n）的公式为：

其中，P是簇头在所有节点中所占百分比，r是选举轮数， 代表这一轮循环中当选过簇头的节点个数。G是这一轮循环中未当选过簇头的节点集合。节点当选簇头之后，即将自己当选新簇头的消息发布给其它节点。非簇头节点根据自己与簇头之间的距离来选择加入最近的簇，并告知该簇头。当簇头收到所有的加入信息后，就产生一个TDMA定时信息，并且通知该簇中所有节点。为了避免附近簇的信号干扰，簇头可以决定本组中的节点所用的CDMA编码。

3.2 HEED路由协议

LEACH协议有效运行需要前提条件：一直成簇初期，所有节点当前能量相等；二是簇形成后，消耗大致相同的能量。首轮选举簇头是，条件一可以得到满足，但在能量收集的模型后，之后的每一轮都饱含有有能量采集技术得到的非均匀分布的能量。条件二也因能量收集技术而无法得到满足。因此需要设计具有能量意识的路由。

LEACH提供了一个有效的分布算法，但未考虑簇规模的随机性及能量收集导致的剩余能量不同，每个节点剩余能量完全相同的假设会导致能量很低的节点以不可忽略的概率当选簇头，从而导致过早死亡。HEED协议在簇头选举阶段引入能量因素，将阈值T（n）修改为：

其中，为节点剩余能量决定的阈值自适应调整参数。

其中，En_int为节点的初始能量，En_current为节点的当前能量。

4 LEACH协议与HEED协议的仿真对比

仿真过程中假定节点随机分布在100m*100m的区域内，区域内具有太阳能能量采集装置，节点分布如图。汇聚点位于（-5m，-5m）的位置。

随着时间的推移，传感器节点间的能量逐渐分布不均，并且出现了某些传感器节点的量耗尽的情况，此时，簇首节点的选择也根据不同协议进行不同的选择过程。

LEACH协议并无能量意识，因此在具有能量收集的无线传感器网络中，其节点生存周期较短。HEED协议具有能量意识，因此在具有能量收集的无线传感器网络中，其节点生存周期较长。由于现有能量收集技术尚未成熟，具有能量意识的HEED并不能特别明显地延长网络的生存周期。但随着对能量采集技术的深入研究，具有能量意识的路由协议的优势将会更加明显得显现。

5 结论

由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。而为了实现节电寿命的延长，通常需要引入能量采集模型，各个节电的能量无法满足均衡的条件，因此使用LEACH协议会使节电的寿命缩短。HEED协议依赖节电的剩余能量，具有较高剩余能量的节点成为簇头的概率较高，算法收敛速度也较快，相对LEACH协议性能明显更优。但为了形成最优的路由协议，需要对能量到达采集模型进行深入研究，才能根据能量剩余來确定簇头，优化无线传感网络。