基于森林监控的无线传感网的路由算法研究

唐春玲

摘要：森林防火是森林保护的重中之重，无线传感网技术的发展为森林关键气象因子的实时监测提供了先进的技术手段。在使用无线传感网进行森林环境因子采集过程中，针对无线传感网LEACH协议中簇头节点能量消耗过快的缺陷，提出一种基于节点和邻居节点剩余能量产生簇头的路由算法，避免簇头节点能量消耗过快的问题。仿真实验表明，本算法在降低网络能耗，延长网络生存周期上与LEACH协议比，具有更好的性能。

关键词：无线传感网;LEACH协议;簇头

中图分类号：TP393.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0030-02

森林資源是自然资源的重要组成部分，极易受到自然因素和人为因素的破坏造成重大损失。森林火灾是造成森林资源破坏的一大自然灾害，其突发性强、破坏性大且扑救工作十分困难。利用现代先进科学技术对森林进行检测，是保护森林资源十分重要的一个措施。无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）是随着无线通信技术、嵌入式计算技术、传感器技术和网络技术的发展出现的一种新型的数据监控网络[1]。无线传感网最初主要应用于军事领域，后来随着技术的进步和经济的发展，无线传感网应用于民用，主要用于城市交通管理、家庭保健、环境监测、远程控制等许多领域[2]。不同于传统网络，WSN是由大量体积小、成本低、具有一定通信和计算能力的传感器组成，其最大的优势是成本低、自组织。无线传感网络采用电池供电，其能量、通讯距离、计算和存储能力有限，因此如何设计高效的路由协议使得在保证数据传输质量的情况下尽可能减少能耗，延长网络生命周期成为国内外学者研究的热点[3]。

在无线传感器网络中，LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy protocol，LEACH protocol）协议是第一个基于多簇结构的层次路由协议，其后很多层次协议，如TEEN、PEGASIS等都是在其基础上发展起来的，也是应用较广泛较成熟的一种无线传感器路由协议。它的基本思想是通过将网络划分为大小均等的簇，在每轮次开始时随机选择簇头，使无线传感网的能量损耗均匀分拨到每个传感器节点中，从而达到降低曾哥网络能量消耗，提高网络生存周期的目的。但是，LEACH没有考虑能耗均衡问题，随机簇头的选择可能造成网络间节点能量消耗不均，从而缩短整个网络的生存周期[4]。文献[5]LEACH提出了第一个基于均匀分簇的路由算法，每轮随机选择簇头，部分确保能耗均衡，但未能有效展开数据聚合。文献[6]提出的HEED算法为了均衡簇间能量消耗，选出更加分布均匀的簇头，在簇头选择中优化了节点剩余能量，并根据主从关系形成了多个约束条件共同作用于簇头的选择，但没有考虑簇内节点的平均剩余能量。文本文在分析现有分簇路由协议特点和不足的基础上，提出了一种基于森林监控的无线传感网的路由算法。

1 网络模型

根据森林检测工作的实际情况，监控点（基站）通常设置在森林中交通、水、电相对便利的山路旁，传感器节点通常在基站的一侧。因此假定网络及节点具有如下特征：

（1）网络中为高密度非均匀分布的静态网络，传感器节点部署后位置不再移动，每个节点具有唯一的网络标识ID，可获知自己的位置，且所有节点时间同步。（2）所有节点具有一定的初始能量，能量不可补充，能感知自己的剩余能量，具备数据融合功能，各节点独立工作，不受其他节点的影响。（3）节点无线发射功率可控，即节点可以根据接收者距离的远近调整其发射功率，也可根据接收信号的强度计算发送者到自己的近似距离。（4）基站位于正方形无线传感网正上方Hm处，基站能量无限大。

基站附近的簇头节点除了收集信息外，往往还要大量转发的其余簇头节点发送的数据，能耗较大，为确保全网能耗均衡，首先对全网进行非均匀划片，离基站越远的子区域，面积越大，以减轻基站附近节点的数据转发任务。令N个无线传感器节点随机分布在边长为Lm的正方形区域中，将区域划分为M1×M2个子区域，靠近基站的子区域宽度和高度最小，远离基站的子区域宽和高逐渐递增。

能耗模型：根据传输距离d的不同，传输kbit信息时，发送能耗为：

ET（k，d）=ET-elec（k）+ET-trans（k，d）=  （1）

接受能耗为：

ER（k）=ER-elec（k）=kEelec                               （2）

其中

ET-elec（k）=ER-elec（k）=kEelec                            （3）

（4）

其中εfs和εmp是自由空间模型和多路衰减模型的信号衰减因子。kEelec是发送和接收kbit数据的消耗能量。本文仅计算通信能耗，忽略节点在计算和存储等过程中的能耗。

2 算法描述

2.1 网络区域初划分

将网络划分为宽度和高度均不相等的若干子区域，高度按照距离基站距离由近到远等比增加的原则，宽度按照以基站横坐标为中心子区域的中心，左右两边子区域的宽度均等比增加且对称。基站附近的簇头节点往往要担负起转发其余簇头节点数据的任务，节点耗能过多容易过早死亡，因此令远离基站的子区域面积越大，以减轻基站附近节点的数据转发任务。

2.2 簇头选举和成簇

同一子区域选取两个簇头分别为主次簇头。考虑到LEACH中簇头竞争存在的不足，将同一子区域节点的剩余能量和邻居节点的平均剩余能量的比值作为重要参数参与簇头节点的竞争。首轮选举距离子区域中心最近的节点为主、次簇头。首轮数据收集完成后，各节点的剩余能量将不同。此时定义节点参与簇头竞争参数s，令：

s（n）=                          （5）

当节点n的剩余能量大于其邻居节点的平均能量时，根据其剩余能量和其当选过簇头的轮数计算其簇头竞争参数。其中，α、β为常系数，Ecurrent为节点n当前能量，Eave为邻居节点的平均能量，M为已当选过簇头的轮数。当节点n的剩余能量小于其邻居节点的平均能量时，此节点不参与簇头竞争，其竞争参数为0。每个子区域按照其节点簇头竞争参数按照从大到小进行排序，s值最大的两个节点为主次簇头。主簇头負责数据收集和融合，次簇头负责数据的转发。若下一轮簇头与本轮簇头是同一节点，则无需广播。如果主、次簇头至少有一个需要更新，则需在整个子区域进行广播。则其余节点收到簇头的广播，根据距离主簇头的远近，选择加入到某一簇头中，簇头收集完节点后不直接发送给基站而是选择下一跳簇头节点转发数据。

3 仿真及结果分析

为了验证算法的性能，在MATLAB环境下建立无线传感器网络仿真环境。将100个传感器节点随机分布在100m×100m区域里，基站位于（50，150）处，采样周期是10s。所有节点布置好后不再移动。在不考虑外界破坏因素的前提下，当节点能量为零时，该节点失效，同时第一个节点死亡时间为网络生存期。将文中所提方法D_LEACH、LEACH和HEED进行比较，采用网络生存期和网络中的能量消耗作为研究重点进行试验仿真。参数设置如表1所示。

网络生存周期仿真如图1所示。从表中可看出，文中所提方法能量消耗最低，网络生存期得到了明显的延长。

4 结语

无线传感网中，不同的应用对网络的要求有很大的差异性，需要设计针对于该应用合理的路由协议。在室外森林监控大型无线传感网中，分簇算法需要进行多跳路由，LEACH协议采用的单跳路由不适合此种情景。本文设计了在室外森林监控无线传感网中适合大规模无线传感网的路由设计方法。此方法在选取簇头时充分考虑了节点和其邻居节点剩余能量，对剩余能量低于邻居平均剩余能量的节点进行保护，避免其成为热点，延长整个网络的生存周期。同时在簇头的选举过程中，选取主簇头和备用簇头双簇头的方式，双簇头分工协作，也增强了整个网络的效率和健壮性。同时不均匀划分网络，令原理基站的子区域面积越大，对基站附近的簇头进行保护，避免其由于临近基站不仅担任汇聚本区域节点能量还转发距离稍远子区域的簇头数据，使网络中的能耗更加均衡。仿真结果表明本方法均衡了网络中各节点的能量消耗，延长了网络的生存周期。

参考文献

[1] 杜海韬，李强，丁广太，王营冠，朱磊基.WSN中基于链路质量和节点能量的AODV路由算法研究[J].传感技术学报，2016，29（7）：1042-1049.

[2] 郑志蕴，郭芳，王振飞，张行进，王飞.基于梯度和能量捕获的无线传感网路由协议研究[J].计算机科学，2017，44（09）：115-119.

[3] 彭蕾，吕敬祥，刘秋平.大规模无线传感网络的混合LEACH协议研究[J].传感技术学报，2016，29（11），1737-1741.

[4] 胡彧，王静.基于蚁群算法的LEACH协议研究[J].传感技术学报，2011，24（05），747-751.

[5] HEINZELMAN W R，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.Energy-Efficient communication protocol for wireless microsensor nerworks[C]//Proc. of the 33rd Hawaii IntIConf.on System Science（HICSS 2000）.2000：3005-3014.

[6] Wu T，KUANG X H，FU Z L.Analysisi and Suggestion of the Heartbleed[J].National Defense Science & Technology，2014，35（5）：27-30.

Research on Routing Algorithms of Wireless Sensor Networks Based

on Forest Monitoring

TANG  Chun-ling

（College of Electronic Information Engineering，Chongqing technology and Business Institute，Chongqing  400052）

Abstract：Forest fire prevention is the most important part in forest protection. The development of wireless sensor network technology provides advanced technical means for monitoring forest environment factor. In the process of collecting forest environmental factors using wireless sensor networks， the energy consumption of cluster head nodes is too fast， in LEACH protocol in wireless sensor networks. This paper proposes a routing algorithm based on the remainder energy of nodes and neighbors to generate cluster heads， which avoids the problem of excessive energy consumption of cluster heads. The simulation results show that this algorithm has better performance than LEACH protocol in reducing network energy consumption and prolonging network lifetime.

Key words：wireless sensor network;LEACH protocol; cluster head