无线传感器网络的低功耗路由协议分析与设计

李杨杨

【摘要】当前，无线传感网中，节点分布非常广泛，而且数量巨大，在这种情况下，着重分析了LEACH分簇路由算法的运行原理，并在其缺陷基础上提出一种基于LEACH的改进路由协议，对LEACH-FLM协议实现进行分析后，通过MATLAB仿真实现对LEACH-FLM协议改进方案进行论证，结果表明按时效等级分配数据传送时间的方法适合无线传感网对各种数据的实时性的要求，具有一定的可行性

【关键词】低功耗路由协议;LEACH-FLM;无线传感器网络;仿真

在传统的WSN传感网络体系之中，选择与构建低功耗的路由协议对于发挥该网络体系传输性能极为关键。因此从应用层面来讲，按照传感器网络中不同特性的敏感度，将当前WSN传感网络的路由协议算法可分为能量感知路由协议、路由查询协议、地理位置路由协议等。在无线传感器网络中设计一种节能路由协议，对于延长网络的生命周期显得尤为重要。而LEACH协议作为分簇路由协议中的最经典协议，其对于低功耗路由协议的提出极为关键，因此下面对其进行详细分析与设计。

1. 基于LEACH的无线传感器网络路由协议

1.1 LEACH协议分析

LEACH协议是分簇路由协议中最经典的协议。作为无线传感网络的第一层路由协议，LEACH具有以下功能。（1）创建群集的本地调整。（2）动态选举群集的“簇头”节点。（3）采用数据融合技术。LEACH的基本思想是以实现提高整个网络生命周期的目标，使用随机循环以特定速率生成和选择簇首节点。

1.2 LEACH分簇路由算法

LEACH分簇路由协议算法是一种非常普遍的路由算法，由于其低能耗，适用于无线传感器网络。操作原理是每个节点依次传输轮流获取的信息，在传输过程中选择簇首节点，并在选择完成后发送信息。

每轮的具体实现过程包括集群初始化和数据稳定传输阶段的形成。在这个阶段，基站随机产生一个介于0和1之间的随机数，簇头中的所有节点接收所选择的消息，在广播中该消息以阈值T（n）预先设置在网络中，基站或汇聚节点比较随机数与设定的阈值T（n），接着继续选择簇头节点。在每轮运行变化之后，网络已经为一些节点簇头节点服务，节点的能量消耗将得到平衡，下一个选择过程不会选择所选簇头节点作为主要目标。数据传输在形成簇后网络稳定工作的阶段进行，基站或汇聚节点为每个簇类规划具体的任务和时间安排，簇头节点也会同样为簇中普通节点安排时间。

根据上述中LEACH协议算法的基本流程与原理，可知当选取簇头时其随机机制尚未考虑分布节点，并且使得簇头节点在集中区域随机分布，而网络中的各类节点同簇头群通信距离过远，导致增加节点通信能耗。另外簇头随机选择几只虾的阈值计算，仅仅计算了节点形成簇头节点的概率。使得簇头信息数据无法被传输到汇聚节点，所以下面考虑将该协议算法作出改进优化。

2. 基于LEACH的改进路由协议设计

2.1 LEACH-FLM协议介绍

本文提出了一种具有创新意义的LEACH-FLM协议。LEACH-FLM主要通过模糊逻辑算法将传感器节点到基站的距离、传感器节点的剩余能量、传感器节点的稳定性，利用加权平均算法对三类参数进行处理，判定其参数值较大，则传感器节点变为簇头节点可能性越大。反之则传感器节点成为簇头的概率就会降低。相比而言，LEACH-FLM协议可以平衡传感器网络中的能量损耗，使得WSN的生命周期得到延长。下面对其具体算法实现进行设计和说明。

2.2 LEACH-FLM算法实现

LEACH-FLM协议的移动模型使用了节点的稳定性、节点剩余能量以及传感器节点与基站之间的距离这三个关键参数用来作为选择簇头的重要参数。

算法的主要流程如下：

①将传感器节点的速度，位置，移动方向和移动范围套入下列公式中，得到节点的方差。将方差作为节点稳定性的指标。若方差越小，则节点成为簇头几率越大，反之亦然;根据WSN网络中各传感器节点的速度、位置移动方向等参数，通过公式计算形成节点方差，并将其作为衡量节点稳定性的参考指标。此时如方差越小，则其成为簇头概率增加，反之亦然。

②根据公式得到网络节点与基站距离，判定距离越近者越易形成簇头，反之亦然。

③得到节点的剩余能量。若剩余能量越多，则节点成为簇头的几率越大，反之亦然;

④根據公式得到网络节点剩余能量，判定剩余能量越多者越易形成簇头，反之亦然。

⑤根据计算得到的三类关键参数，将其作为输入值带入模糊逻辑算法中计算。

⑥通过模糊逻辑算法对输入变量归属至[0，1]区间中，按照算法输出结果得到节点作为簇头的概率。

2.3 改进路由协议的仿真分析

采用MATLB仿真程序对LEACH-FLM算法实施仿真操作。检验LEACH-FLM算法在物理融合和数据融合中的机能。在监测环境中的四种不同类型的节点的初始状态为：A：（失效等级4，发送速率50）;B（失效等级3，数据发送速率设定为80）;C（失效等级4，发送速率50）;D（失效等级2，发送速率50）。假设四中节点都有50个，系统一共有200个系统发送一次数据的时间为100s，第一次利用传统的LEACH算法进行仿真，然后再利用本文改进的LEACH算法在同等条件下进行仿真，并相互比较。

分析图2-2得，时效等级：A>B=C>D，但是C的数据发送率大于B。分析图2-3可得，得到的发送时间A>B>C>D，因此，可以说明本文改进的算法是行之有效的。这种按时效等级分配数据传送时间的方法适合无线传感网对各种数据的实时性的要求。因此改进后的路由协议具有一定的可行性。

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