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无线传感器网络LEACH协议改进和研究

关于本文的内容介绍
 1 问题提出
  无线传感器网络节点能量有限,在设计无线传感器网络路由协议时首先要考察有限能量用到最需要发送数据的节点上。LEACH协议是一种节能的无线传感器网络路由协议,它通过轮询的方式,随机选择簇头,定期改变簇头和簇结构,最终将有限的能量均匀的分布到各无线传感器节点上,从而降低能耗,延长网络的生存周期。LEACH协议分为簇建立阶段和数据传输阶段两部分组成。在簇的建立过程中,先随机选出簇头,簇头通地周期网络广播方式告诉所有节点自己成为簇头,周围节点依据信号强弱分别加入到相应的簇。所有节点选取0~1之间的随机数,如果大于阈值T(n),该节点成为簇头。T(n)计算公式1。
  [T(n)=p1-p(r?mod1p)ifn∈G0else] (1)
  在数据传输阶段,每TDMA时隙,节点都向簇头发送数据。簇头将数据处理后把结果发给SINK节点。一轮循环后,网络重新选择簇头和传输数据过程。
  基于LEACH选择簇头的随机性,发现有如下问题
  1)选择簇头问题
  从公式1看出,节点成为簇头是取决于随机数n,极有可能存在的问题是当能量小的节点成为簇头,在数据传输过程中,因为能量较小导致簇头很快失效。另外簇头若出现在距节点较远范围,会因发送数据耗费大量能量。这些都不利于无线传感器节点高效使用能量。
  2) 移动节点通信问题
  LEACH簇头的选择是随机的,没有考虑移动节点的情况。如果在簇稳定时移动节点,,传感器节点需要花费大量的能量与簇头进行数据交换,这样距离SINK节点远的簇头将耗费更多能量与SINK节点数据传输中,势必会加快簇头的死亡。
  2 LEACH路由协议的改进方法
  2.1 改进方法的主要思路
  当分簇稳定后,成员节点移动,不在当前簇范围时,则无法接收原簇头的数据,将此成员节点定义为无效节点。无效节点所发送的数据将丢失。为了避免数据丢失,引入了中间节点,中间节点有路由和数据转发功能,接受无效节点发送来的数据,然后将数据发送到SINK节点。这样,就不会因为节点移动,而使得无效节点发送数据失败的现象。
  2.1.1 中间节点的形成
  中间节点是一个配置GPS模块的能量充足的节点,它能感知自己的位置。当簇头选举出来之后,它将自己是簇头的消息通过网络广播给所有节点,并将自己的地理位置通过GPS发送给中间节点,中间节点收到簇头的消息得到簇头的纵横坐标利用公式2计算一个最优位置,然后移动到该位置,此时中间节点通过网络广播所有节点自己是中间节点。
  [x=limn→∞1ni=1nxi][yi] [y=limn→∞1ni=1nyi] (2)
  其中x代表最优位置的横坐标,y代表最优位置的纵坐标,[xi]代表簇头i的横坐标,[yi]代表簇头i的纵坐标,n代表簇头的数量。
  2.1.2 稳定传输阶段
  稳定传输阶段的主要任务数据传输,通常将簇头采集到各节点的数据发送给SINK节点。面对于无效节点,数据传输过程是中间节点代为发送给SINK节点的,此阶段的数据传输时间是以簇头生成的TDMA时间为准的,每个成员节点在自己的时隙时间范围内,将数据传送给簇头。考虑到能耗原因,成员节点发送数据多少是由收到簇头广播信号的强弱决定的。因此,信号弱的成员节点,数据传输就少。信号强的成员节点数据传输就多。与此同时,成员节点不在自己的时隙时间范围内,其无线通信模块处于关闭状态。稳定传输阶段流程图如图1所示。
  
  图1 稳定传输阶段流程图
  3 仿真与结果分析
  采用NS2仿真工具对LEACH协议和改进后的方法进行仿真比较,主要从SINK节点接收数据包的数量随移动节点数量增加的变化进行比较。为了验证改进后的方法的性能,将100个无线传感器节点和一个中间节点随机放置在100m*100m的监测区域,这些节点以0.2m/s进行移动。假设所有节点的能量均为0.5J,SINK节点位于(60,90)处,节点要发送数据包的大小约为500byte,簇头融合后的数据包大小为1830byte,每轮的时间为30S,移动节点数量为50个。
  从图2可以看出随着移动节点数量的增加,改进后的方法与LEACH协议相比,数据传输率明显提高,也就是说,在节点移动的条件下,接收的数据包比LEACH协议要多。分析其原因是中间节点将无效节点的数据代为发送给SINK节点的结果,这样数据发送成功率得到提高。
  4 总结
  针对LEACH路由协议无法解决移动节点和网络能耗高的问题,提出了一种改进方法,该方法引入了中间节点,在无效节点发送数据失效的前提下,将节点数据先传给中间节点,再发送给SINK节点。仿真结果表时,改进后的方法在数据传输率明显提高。
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