基于护林防火的无线传感器网络路由协议研究

马 泽，任力生，王 芳，肖汉英

（1. 河北农业大学 信息科学与技术学院，河北 保定 071001；2. 内蒙古自治区乌兰察布市察右后旗园林局，内蒙古 乌兰察布 012400）

关 键 字：WSN 网络；LEACH 协议；生命周期；护林防火

对人类来说，森林是实行可持续发展战略的关键组成部分，可以说，森林是协调人类社会和生态平衡的纽带。森林可以调节自然的生态平衡，被称为“地球的肺”。它不但为人类生产和生活提供了各种各样的原材料，而且极大地缓解了人类开发对自然生态系统的破坏［1］。森林肩负着许多历史使命，如保护自然生态体系、净化空气质量、保证地球物种多样性等。尽管中国森林覆盖率呈上升趋势，但仍不能满足生态平衡。如何合理地保护和利用森林资源将是摆在人们眼前的1 个重要的问题。护林防火作为林业经营活动中最重要的环节之一，越来越受到国家和社会的重视，对我国林业发展和环境安全起到了积极的推动作用。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是信息获取的重要手段。无线传感器网络由成千上百的传感器节点和1 个基站组成，将传感器节点部署在指定的监视区域中，节点之间通过相互协作，来采集监控区域内的数据信息，并将采集到的数据信息传输给汇聚节点，汇聚节点对数据进行处理和融合传递给基站，传递到基站后，基站将数据分类并通过互联网将其发送给客户端，从而完成用户对传感区域的监视［2-3］。无线传感器网络具有成本低，自组织，可靠性高，维护管理方便，布线自由，数量大等特点，这些优势使无线传感器网络在护林防火中具有巨大的潜在应用。

在现阶段，护林防火监测系统还不够完善，仍然面临许多问题［4］。由于林业环境复杂、面积大且树木分布不均，森林高度动态变化、信号易遮挡等特点，传统的监测网络节点部署困难，维护成本高，网络缺乏灵活性和可扩展性，因此现有的监测系统并不适合于森林火灾数据的监控。无线传感器网络可以很好地解决这些问题，无线传感器网络成本低，可以随机部署，即使在人类无法到达的深林也可以采用利用飞机或者无人机进行部署，降低了人力成本。无线传感器网络的可扩展性好，抗干扰能力强，当林区节点部署完毕以后，传感器节点以自组织的形式形成网络结构，进行数据交互与传输。当有节点能量消耗殆尽或者有新的节点重新加入网络时，网络又会重新组织拓扑结构，进行数据传输，因此将无线传感器网络技术应用到护林防火系统是必要的。

但是由于林区环境复杂，无法部署固定电源，因此传感器节点一般由电池供电［5］，一旦将节点部署，就很难再次更换电池，因此，WSN 的节点能耗问题一直是众多学者研究的热点问题。虽然有专家提出利用太阳能设备可以解决WSN 中传感器的电池寿命问题［6］，但是在森林中，树木茂密并且高大，太阳光很难透过树叶到达传感器节点，所以，设计低功耗、高效节能的路由协议是将无线传感器网络技术用在森林防火监测系统的的重中之重。

1 LEACH 路由协议介绍

LEACH 协议是WSN 中最早的分簇路由协议［7-8］，其网络拓扑如图1 所示。目前大多数分层协议都源自LEACH 协议，通过在LEACH 协议基础上进行算法的改进，数据融合等一系列的操作。

图1 LEACH 协议模型Fig.1 LEACH protocol model

1.1 LEACH 协议的运行过程

LEACH 协议以“轮次”的方式运行。每轮次包括2 个阶段：第一阶段是簇首节点的建立，第二阶段是稳定的数据传输阶段。

在簇首建立阶段，首先要对所有的节点以及基站进行初始化，所有节点要将节点本身的信息发送到基站，用于基站来随机选择簇首。LEACH 协议簇首竞选方法为［9］：节点随机产生1 个0 到1 之间的数字，如果这个数字的值小于阈值T(n)，则该节点广播自己成为簇首节点的消息。T(n)如公式(1)所示：

其中P是簇首在所有节点中所占的百分比，r是选择轮次，rmod(1/P)表示在该轮开始之前已经当选过簇首的节点个数，G是没有当选过簇首节点的集合。如果节点在上一轮r循环中它成为簇首节点，它将不再能够在以后的(1/P)轮中重新当选，这增加了其他节点成为簇首节点的可能性。在(1/P)回合之后，所有节点都有可能一次又一次地将P用作选择簇首节点的概率。当节点当选为簇首节点后，会以广播的方式发布消息，告知其他非簇首节点自己已经成为簇首节点的消息，非簇首节点会根据接收到的信号的强度决定要加入哪个分簇，并将消息发送回相应的簇首。簇首节点基于时分多址(TDMA)为每个簇中的非簇头节点分配通讯时间，节点只有在自己传输的时间内才能进行数据的传输［10］。

在数据传输稳定阶段，簇内的成员节点以最小功率将数据发送到正在通讯的簇首，以节省节点能量，在等待下一个所分配的时间间隙到来之前，节点会进入休眠状态，等待再次被唤醒进行数据传输。收集完所有数据后，簇首将簇内成员发送来的数据通过融合算法进行数据融合处理，将结果汇总后发送给基站，最后基站将接收到的数据发送给数据处理中心［10-11］，本轮结束以后，网络会重新再次选择簇首节点，重复上面的步骤。为了最小化功耗，稳定工作阶段的时间要远远大于簇首建立阶段。

1.2 LEACH 协议的网络模型与能量模型

在簇首选举采集转发数据之前，首先定义整个网络的网络模型进行定义：

(1)传感器节点均匀且随机地分布在整个网络领域；

(2)所有节点本质上是同质的（即相同的传感和通信能力以及相同的能源）；

(3)一旦传感器节点随机放置，所有传感器节点和基站(BS)在其整个生命周期内都不会移动；

(4)每个节点可以随时计算其剩余能量。

LEACH 协议采用的是一阶无线电能量模型，如图2 所示：

图2 一阶无线电模型Fig.2 First-order radio model

假设在L×L监视环境中有N个节点和n个簇首节点。每个簇中包含N/n个节点，包括簇首节点和(N/n)-1 个普通节点。根据一阶无线电模型［12］，可以通过公式(2)计算出发送m位数据的能耗ETX为：

其中，Eelec表示无线电发送、接收、数据编码，调制解调等所消耗的能量，而εamp和εfx是放大器的增益，与信道的通信模型有关。当d≤d0时，能量消耗与距离的平方成正比［13］，此时采用自由空间信道模型，当d＞d0时，能量消耗与距离的4 次方成正比，此时采用多径衰落信道模型。

接收1 个mbit 信号所消耗的总能量为ERX：

d0的表示方法为：

在无线传感器网络中，节点在进行数据通信的时候，所需要的能量要远远大于数据计算时候的能量。因此本文在计算时，仅考虑传感器节点在通信阶段所消耗的能量。

1.3 LEACH 协议的不足

LEACH 协议作为最早被提出的分簇路由协议，还是存在着一定的不足之处：

(1)簇首节点的随机性［14］。在簇首选择的过程中，每个节点当选为簇首节点的几率是一样的，这就会导致经过几轮以后，剩余能量较高的节点与剩余能量较低簇首选举的概率是一样的，如果此时，经过计算选择，剩余能量较低的节点再次被选举为簇首节点，那整个网络的安全性与生命周期都会出现问题，导致整个网络宕机。

(2)未考虑最佳簇首数目。在无线传感器网络中，簇数目对网络能耗是有影响的。如果网络中簇首节点过多，则会增加簇首节点与汇聚节点的通信能耗，同时，在簇首节点与汇聚节点通信的过程中会产生信道竞争以及信号干扰的问题［15］；如果网络中簇首节点的数目过少，则网络中就会存在很大的簇，簇内会有大量的节点，每个节点都需要与簇首节点进行通信，簇首节点的能量消耗就会增大，导致整个网络中的节点的能耗不均衡，缩短网络的生命周期。

(3)LEACH 协议采用的是单跳的方式进行数据传输，簇首节点与基站之间的距离会影响数据转发时的能耗。如果有些网络分簇的簇首节点与基站的位置过远，采用单跳的方式，会增大能量的消耗，导致网络中的节点能耗不均匀。

2 LEACH-HD 算法介绍

针对LEACH 协议存在的不足问题，笔者提出了1 种新的算法LEACH-HD，该算法在簇首选举过程中，通过确定计算最佳簇的数目以及在选举公式中加入了剩余能量因子与平均距离因子，使整个网络的能耗更加均衡化，簇首节点的选择更加合理化，下面进行详细介绍。

2.1 最佳簇的计算

由于该算法是在LEACH 算法上进行改进，则网络模型与LEACH 协议的网络模型一致，在1.2 节已经描述过，这里就不在赘述。

簇首节点的数目在整个网络的生命周期中起着重要的作用［16-19］。对于LEACH-HD 协议来说，在同一个网络环境下，如果分簇的数量不一样，那么整个网络的能量消耗可能也会存在差异，所以通过计算得出网络中最佳簇的个数非常重要。假设在L×L监视环境中有N个节点和n个簇首节点。每个簇中有N/n个节点，包括簇首节点和(N/n)-1 个普通节点。根据一阶无线电模型，第一次发送和接收m位数据能耗ECH可以表示为［20］：

一次数据的传输需要经过m次发送操作与(m-1)次接收操作，其中m是1 次传输的数据量；EDA是簇首节点进行数据融所消耗的能耗，而dsink是簇头与基站之间的距离。数据传输中每个节点的能耗ENn为：

其中dx是非簇头节点与簇头节点之间的距离。

考虑到数据发送和接收所需的能量，簇头的能量消耗以及ADV 的能量消耗，可以得出总能量消耗ETotal：

根据节能目的，最佳簇数量为：

2.2 簇头选择机制

与LEACH 协议类似，LEACH-HD 同样在“轮次”的基础上运行。每轮仍分为簇头的建立阶段和数据传输阶段。但是区别在于LEACH-HD 改进了簇头阈值的选择。LEACH 协议使用随机数并使用公式(1)计算阈值。因此，存在诸如簇首选择不均匀的问题，并且在计算过程中，会选择剩余能量较低的节点为簇首节点，降低网络寿命。在LEACH-HD 中，笔者考虑节点的是剩余能量和网络的剩余能量。每个节点选择1 个介于0 和1 之间的随机数来选择簇头。为了使节点成为簇首，节点与基站之间的距离必须小于从所有节点到基站位置的平均距离，并且其随机数必须小于以下阈值：

其中，P是簇首在所有节点中所占的百分比，r是选择轮次，n是区域网络中节点的数量。G是上一轮未成为簇首的节点的集合，Er是每个节点的剩余能量，ERemain是网络中所有存活节点的剩余能量的总和，即：

DitoBS是节点到基站之间的距离，而Davg是整个网络的平均距离，即：

α与β是权重，并且α+β=1。LEACH-HD 通过将加入节点的剩余能量因素和距离因素计算出阈值，从而改善了簇首节点的选取机制。如果该节点可以满足上述要求，则该节点当选为本轮的簇首节点。簇首节点通过广播的方式向所有节点发布自己成为簇首节点的消息，非簇首节点根据广播信号的强度决定加入哪个分簇。在数据传输阶段，簇首节点以时分复用的方式为簇内成员节点分配通通信的时间，非簇头节点在簇头节点为自己分配的通信时隙向簇头节点发送数据，不在通讯时间内，节点处于休眠状态，接收到所有数据后，簇头节点将汇总数据并将其发送到接收器节点。LEACH-HD 的运行过程如图3 所示：

图3 LEACH-HD 的运行过程Fig.3 The operating process of LEACH-HD

3 仿真结果与分析

3.1 NS-2 仿真工具

NS-2 是1 个面向对象设计的网络模拟器［21］，实质上是1 个离散事件模拟器，所有仿真模拟都是由离散事件驱动的,它支持大规模的多协议网络仿真，为相同的仿真模型提供不同的仿真实现；它提供1 个仿真接口，可以将真实的网络节点流量输入到仿真模型中的节点中，从而同步仿真真实网络的行为；提供可视化工具，对网络仿真过程进行动画处理，以图形方式显示数据结果等。

3.2 结果分析

该部分采用NS-2 仿真工具对LEACH 协议，基于位置信息的传感器网络协议HRBGR 算法［22］和基于最短有效转发距离的多跳路由算法RDMC［23］协议与LEACH-HD 协议进行了的技术的性能评估。最后，仿真从节点存活方面，Sink 节点数据接收方面，网络能量的消耗方面，阐明了LEACH-HD 算法的优越性。首先，在网络中配置参数（表1）：

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

节点在监测区域的随机分布图见图4。

图4 节点分布图Fig.4 Node distribution map

在LEACH-HD 协议中，网络性能随簇数量的不同而不同。图5 显示了死亡节点数与分簇数随时间之间的变化曲线。

当n=5 时，整个无线传感器网络中有许多存活节点。网络运行410 s 后，死节点开始出现，并且网络运行700 s 后，存活节点为0，网络无法工作；当n为其他值时，整个网络的存活节点的数量会减少得更早，整个网络都会提早进入瘫痪期，因此在模拟实验中n=5。

图5 n 值和死节点数的关系Fig.5 Relationship between n value and number of dead nodes

图6 存活节点对比图Fig.6 Survival node comparison chart

LEACH-HD 协议Sink 节点的数据接收量更大。

图6 是节点生存期的比较。从图6 可以看出，LEACH-HD 协议延长了第一个节点的死亡时间。LEACH 大约在390 s 时就死掉，HRBGR 大约在410 s 的时候出现死亡节点，RDMC 在420 s 左右出现死亡节点，而LEACH-HD 节点大约在420 s 的时候，死亡节点才开始出现，延长了约7.14%。对于整个网络系统，LEACH 节点的总死亡时间约为530 s，HRBGR 是在560 s 左右节点全部死亡，RDMC 是在580 s 左右整个网络的节点全部死亡，LEACH-HD 节点的总死亡时间约为610 s。因此，改进的LEACH-HD 有效地延长了网络的寿命。图7 显示了Sink 节点的数据接收量与时间的关系。在协议运行的前期，4 种协议的汇聚节点接收量相差无几，当死亡节点开始出现时，首先LEACH 协议的数据接收量开始出现拐点状态，然后缓慢增长，当节点全部死亡以后，LEACH 协议的数据接收量达到1.19×105，HRBGR 协议的总接收量为1.21×105，RDMC 协议Sink 节点的接收量为1.36×105，而LEACH-HD 协议的ASink 节点接收量为1.39×105，所以改进的LEACH-HD 协议在数据的接收量方面也优于其他3 种路由算法。

图7 Sink 节点接收数据对比图Fig.7 Comparison chart of received data by sink rode

LEACH-HD 协议可以使总能量的消耗时间更长。图8 显示了整个网络消耗的能量与网络生命周期之间的关系。

图8 能量消耗对比图Fig.8 Energy consumption comparison chart

从图中可以看出，LEACH-HD 协议在在网络消耗的总能量方面优于其他协议。在大约530 s 时，LEACH 算法中网络的总能量消耗完毕，HRBGR 在560 s 左右整个网络的能量变为0，RDMC 算法是在580 s 左右，整个网络的能量消耗殆尽，而LEACHHD 路由算法网络的能量在610 s 左右消失，性能表现的更好。这是因为LEACH-HD 算法在簇头选举中比其他算法的有效性更好，因此在簇头选举过程的每一轮中都节省了节点的能量，从而降低了网络中所有节点的能耗。

4 结论

本研究首先对森林防火系统区域的特点和部署场景展开讨论，并设计出系统的体系结构。在此基础上，对LEACH 协议的分簇思想和特点进行分析，结合网络模型，详细讨论了基于距离与节点剩余能量的LEACH-HD 的设计。最后，仿真实验分析了LEACH-HD 协议在节点的存活，数据接收量，网络寿命方面的优越性，对于森林防火监测具有重要的前瞻性作用。