一种基于接收信号强度的多跳分簇路由协议

徐鸣 施伟斌·

摘 要：为了延长传感器网络生存时间，多跳路由协议一直是无线传感器领域的研究热点。其中多跳分簇的路由协议（MHLEACH） 不仅能扩展通信范围，还可以均衡分配节点能耗，从而有效提高了能量利用率。但该方法存在的问题是若选中的簇首距离基站太远，则会耗费较多能量。同时，簇群链路分布的不均匀也可能使一些靠近基站的簇首更频繁地转发数据。为解决该问题，提出一种改进算法RSSI-Mean-Filter-MHLEACH（简称RMF-MHLEACH），该算法能对接收路由消息时获得的邻居节点信号强度与邻居表内节点剩余能量信息进行比较分析，最后找出最优的上层转发节点，从而使各节点在保证通信质量的同时，也能合理分担簇首的能量消耗。

关键词：无线传感器网络;路由协议; Multihop-LEACH;簇首竞争;中值滤波;接收信号强度指示

DOI：10. 11907/rjdk. 181715

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）001-0174-04

Abstract： In order to prolong the survival time for the sensor network， the multi-hop routing protocol has been the hotspot for wireless sensor researches. Among them， Multi-hop LEACH（MHLEACH） routing protocol can conserve extra expedition in RF power and use energy efficiently by forwarding data to base station through muti-hop measure. Although the advantage of this algorithm is that it can reduce energy expenditure， the selected cluster head can be too far from the base station， which will consume extra energy. Meanwhile， the uneven distribution of the cluster link may also cause some cluster heads near the base station to be more frequently called to forward data. In order to solve this issue， this paper presents an improved RMF-MHLEACH algorithm， which takes the advantage of the neighbor nodes RSSI and energy competition to ensure the quality of communication while appropriately allocating the energy consumption on cluster head.

0 引言

无线传感器网络（WSNs）是由大量传感器节点形成的分布式、具有自组织能力的低成本网络系统。WSNs能够替代人工作业在恶劣环境下工作，因此在工业自动化、次生灾害预防以及农业环境检测等领域都得到了广泛应用[1]。

然而，单个无线传感器的节点能量是有限的，WSNs能量消耗模型[2]已指出射频发送数据是消耗无线传感器节点能量的主要原因。因此，研究人员为尽可能延长网络生存时间，提出相关协议与算法。如Muhamnmad Omer Farooq等[3]提出的MR-LEACH路由算法，其令基站确定上层与下层簇首的多跳拓扑关系，但基站必须获取全局网络信息;Ashlyn Antoo等[4]提出通过计算并传输通信代价矩阵选择多跳路径的EEM-LEACH路由算法，但增加了计算需求与通信负载;黄廷辉等[5]提出基于非均匀分簇的无线传感器网络分层路由协议（HRPNC），其通过分层机制及竞争机制选取簇首;Amira Ben Ammar等[6]提出适用于节点大范围部署的MH-LEACH based on Cross-layer路由算法，从而分析信噪比，判断多跳路由链路的健壮性，但增加了网络监听时间;樊思炜[7]提出一种HCEEC路由协议，虽然该协议能根据能量和簇首与基站的相对位置动态选取多跳路径，但每轮建立簇群时，簇首们都要获取其自身到基站的相对位置，从而导致能量浪费。

最具代表性的多跳分簇路由则是Fan Xiangning[8]提出的多跳低功耗自適应分簇路由MHLEACH（Multihop-LEACH）协议，其引入了簇间路由与数据融合的操作，该方法能够有效减少必要数据的发送，从而提升节点能量利用率，所以多跳分簇自适应路由协议已被证明是一种更有效的路由工作方式。但是MH-LEACH路由算法并不能选择拥有最小通信代价的路径，即便找到了最小通信代价路径，靠近基站的簇头节点也会由于频繁被下层节点要求通信而导致过早消亡。

因此，本文通过改进MHLEACH提出一种基于RSSI[9]划分簇群，并辅以节点能量数据交换判断理想转发簇首的多跳低功耗分簇路由协议RMF-MHLEACH。

1 RMF-MHLEACH协议

RMF-MHLEACH是改进自Multihop-LEACH的路由算法，而MHLEACH协议是基于LEACH[10]（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）路由协议所扩展的方案。本节首先简述LEACH路由协议。

1.1 LEACH协议简述

经典LEACH协议提出一种“轮簇”概念，其每轮都由两个阶段组成：簇建立阶段与稳定阶段。在簇建立阶段，节点之间会自适应地推举簇首节点并规划簇群;在稳定工作阶段，节点则负责传送数据。LEACH轮簇过程如图1所示。

式中，[r]是当前所处的轮数，[P]是当前轮期望出现簇首的分布率，而[G]代表还未当过簇首的集合。

在建立阶段，当节点n通过随机数发生器产生的数小于等于[T（n）]时，节点[n]则会被选举为簇首。簇首节点会广播告知自己的网络ID，等待邻居节点加入该网络簇群的请求Join-REQ帧，然后用TDMA[11]的方式给邻居节点分配时隙表，至此簇首建立阶段结束。稳定阶段，簇群中的邻居节点根据建立阶段时的TDMA时间表给簇首发送数据。

1.2 Multi-hop LEACH协议简述

若所有簇首都无差别地与终端基站直接通信，则簇首保持远距离通信会消耗更多功率。为解决该缺陷，可以允许簇首与簇首之间进行通信，以多跳方式向靠近基站节点的簇首发送数据包，最终抵达终端基站。

这种采用多跳方式的LEACH路由算法在簇内组网过程中与LEACH路由协议基本相同，但是簇首并不与基站直接通信，而是利用簇首到簇首以及簇首到基站节点链路估计的优劣结果，选择一条到基站节点的合适的转发路径进行多跳数据转发[12]。

1.3 RMF-MHLEACH算法描述

RMF-MHLEACH（RSSI-Means-Multi-hop）路由协议在MH-LEACH基础上根据邻居节点的信号强度指示[RSSI]进行局部节点筛选。根据无线电在自由空间的损耗理论[13]可知，对等节点之间的距离与RSSI值的关系[14]满足式（2）。

式中，A代表距离发射节点1 m 处的[RSSI]值，d是无线传感器之间的相对距离，[Xσ]是服从高斯随机分布的衰减因子，表示空间白噪声对理想信号的干扰。

在簇群建立阶段，网络中候选簇首的选择依然延用经典LEACH的簇首选择公式（1）。

簇群内簇首竞争半径[15]的计算则需要收集邻居节点强度，然后进行一维中值滤波处理，其数学表达式如下：

假设此时得到的[SMRSSI（i）]是收到的[n]个有序邻居节点信号强度的样本集合，分析可知，链路质量与[RSSI]有关，因此求[n]个节点中的上四分位数[Q3]作为选取竞争半径的参量。在样本集[SMRSSI（i）]中，取其不低于[Q3]的样本作为计算候选簇首节点[i]竞争半径[Rc（i）]的参量，其数学表达式为：

其中，[quantile]是选取样本分位点的分位函数[16]，[distance]是根据式（2）中距离与信号强度关系式所推导的反函数。在计算了竞争半径[Rc（i）]的候选簇首后，还需要与[Rc]半径内的其它邻居节点[i+1，？，i+v]进行能量比较，以确保能选到能量[E]较多的节点作为簇首，其最终选举的簇首也必须满足如下能量公式：

该公式的意义是选取由[Rc]所划分簇群[G]内能量最大的节点成员[i]作为最终簇首。

2 仿真分析

本文采用Matlab软件对RMF-MHLEACH算法进行仿真，在大小为100m2的监测区域空间内随机分布100个对等节点，固定基站（BS）位置在（50，100），并制定网络运行     1 000轮。首先，通过RMF-MHLEACH分层算法模拟出簇首交替过程;然后将RMF-MHLEACH算法与LEACH及MHLEACH协议进行性能比较，从节点存活个数、节点平均剩余能量，以及整个网络中节点的数据传输量等方面进行考虑，评估改进算法性能;最后，通过与MH-LEACH 协议的时效性进行对比，评估改进算法效率。对比仿真相关参数定义如表1所示。

2.1 网络生存时间

在无线传感器网络中，第一个死亡节点出现的所在轮数可以衡量采用一个路由协议时的网络生存时间。

图4描述了在3种不同分簇路由算法下，网络幸存节点数量随轮数的变化情况。

可以看出，与MHLEACH协议相比，采用RMF-MHLEACH路由算法时，虽然第一个死亡节点出现时间稍早，但在长时间表现下，RMF-MHLEACH路由协议能比MHLEACH协议保活更多可用节点。由此说明，相比于MHLEACH协议，采用RMF-MHLEACH协议能够延长网络整体平均生存时间。

由表2可以看出，在RMF-MHLEACH协议的网络下，死亡节点的出现较为平缓。虽然RMF-MHLEACH在前200轮会比其它两个协议提早死亡2～3个节点，但是从长远看，RMF-MHLEACH能比MHLEACH工作更長时间。

2.2 能量消耗

每轮中平均节点剩余能量可以评估WSN网络中节点能量的消耗速度。

2.3 数据包到达数

分簇路由中，数据包到达数是评估簇首转发数据量改善程度的主要参数之一。由于采用多跳分簇路由机制，簇首与基站是汇聚数据包的主要节点，统计到达簇首与基站的数据包即是统计簇首与基站收到的数据量。

在对等仿真环境下，簇首收到的总数据量反映了当前分簇下的数据承载量，以及作为转发节点时的数据吞吐量。因此，分析对比簇首收到的数据量是评估网络效率的指标之一。

通过对比MHLEACH与RMF-MHLEACH中簇首每百轮收到的数据量柱状图，可以看出前500轮中MHLEACH簇首的数据接收量显然比RMF-LEACH大得多，而后500轮簇首接收的数据量迅速递减，并且低于RMF-MHLEACH簇首接收的数据量，表明RMF-MHLEACH算法在抑制数据负载方面优于MHLEACH算法。

3 结语

本文改进了多跳低功耗自适应分簇路由协议，提出一种在初始阶段根据节点信号强度划分簇群的方法。在初始阶段选取簇首所在簇群后，簇内节点轮换选举为下一轮簇首，使簇内均匀分配收发的数据量，以平均分配网络中节点的能量消耗。由上文分析可知，RMF-MHLEACH有良好的节能效果，在MHLEACH基础上延长了9%的网络生存时间。另外需注意的是，根据网络变化（加入或撤出节点）的快慢，应适当缩短或放宽聚类成簇时的换轮时间间隔，该项工作将在未来研究中作进一步探讨。

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（责任编辑：黄 健）