無線傳感器網絡基于分簇路由的數據融合研究

摘要：無線傳感器網絡節點資源有限，所以需要采用有效的路由算法與數據融合機制來節省資源，延長網絡壽命，提升數據采集效率。LEA CH是經典分簇路由協議，針對其在簇頭選擇機制、數據融合以及簇頭與基站通信的路由方面的不足，提出了幾點改進方法，在簇頭選擇的算法中加入了能量控制條件，簇頭與基站的路由改為更適合數據融合的多跳反向組播樹，并基于信息熵提出了有效數據融合機制。仿真實驗表明，改進之后的算法比原LEACH算法更有效地利用了節點資源，延長了網絡生存時間。
關鍵詞：無線傳感器網絡；分簇路由；數據融合；LEAC計算法

0 引言
無線傳感器網絡綜合了無線通信技術、傳感器技術、嵌入式系統、分布式計算等多種前沿技術，網絡內各節點能夠通過無線通信方式(如ZigBee)形成自組織網絡，協同感知與處理待測區域內的相關信息并發送給觀測者。在無線傳感器網絡具備諸多優勢的同時，其節點在電池能量、數據處理能力、存儲能力等方面資源十分有限，因此在數據采集與處理過程中的路由與數據融合是一個影響整個網絡生存時間與數據采集效率的關鍵性問題，這也是當前的研究熱點之一。無線傳感器網絡誕生以來，研究者依據使用環境設計了很多經典的路由協議，其中包括基于節點分簇機制的LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)、定向擴散路由DD(Directed Diffusion)、基于地理位置信息的GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)等等。本文主要討論基于分簇路由的數據融合問題，下面將以LEACH為基礎加以分析。

1 LEACH協議分析
LEACH協議是由MIT的Heinzelman等學者提出的一種用于無線傳感器網絡的低功耗自適應分層聚簇路由算法，其基本思想就是以“輪”為周期循環地隨機選擇簇頭節點，將整個網絡的能量消耗盡量分散在每個節點中，延長網絡生存時間。每一輪包括兩個階段：簇的建立階段與數據的穩定傳輸階段。在簇的建立階段，通過算法隨機選擇某些節點成為簇頭，其他節點則選擇與其距離最近的簇頭形成簇；在數據的穩定傳輸階段，每個節點分別采集相關數據傳送至簇頭，簇頭接收簇內各個節點的數據后一起發送給基站。
在簇的建立階段，關鍵問題就是簇頭的選擇。為了選擇簇頭，網絡內每個節點都隨機生成一個介于0～1之間的數n如果n小于T(n)，則其成為簇頭，T(n)的計算方法如下：

式中：p為預設的每個節點成為簇頭的概率；r為當前運行的輪數；G為最近的1／p輪中尚未成為簇頭的節點集合。該算法讓每1／p輪中網絡內的各個節點都有且僅有一次輪成為簇頭。完成簇頭選擇以后，成為簇頭的每個節點都向網絡發送廣播信息，然后網絡內的每個節點通過收到的信號強度決定它要加入的簇(信號的強度與兩個節點直接的距離正相關)并向該簇頭發送請求信息，形成簇。分簇完成之后簇頭節點采用TDMA方式為簇內的每個節點分配其向簇頭上傳數據的時隙，開始數據的穩定傳輸階段，經過一定時間后再開始下一輪的循環，直至節點因能量耗盡陸續死亡，當剩余節點不再滿足數據采集的需要時，網絡的生命結束。
LEACH協議的分簇拓撲結構無需復雜的路由信息，減少了路由控制過程中消耗的能量，簇內節點大部分時間可以關閉耗能最高的通信模塊，將數據轉發功能交給簇頭節點，有效地節省了簇內節點能量，而簇頭的輪換機制也保證了某個節點的能量不至于過快消耗，相對平衡了所有節點的能耗，延長了網絡生存時間。
顯然，LEACH協議也存在缺點，主要體現在以下兩個方面：
(1)簇頭選擇算法的隨機性過大，在每輪的簇頭選擇階段，任何節點成為簇頭的概率相同，而簇頭節點承擔了網絡中的很大部分通信，包括從簇內節點接收數據與發送數據至基站，當能量較低的節點當選為簇頭時必然會導致其能量的快速耗散以至死亡，節點能量的不平衡也將影響網絡整體的生存時間；
(2)LEACH協議在數據傳輸中雖然體現了數據融合的思想，但并未提出數據融合的具體措施。

2 基于LEACH的數據融合算法
針對LEACH協議的不足，本文提出了一種基于LEACH的數據融合算法，旨在克服LEACH的不足并加入數據融合機制，節省網絡資源，提升數據采集效率。
2．1 簇頭選擇算法
因為LEACH的簇頭選擇算法隨機性過大會導致部分節點的能量消耗過快，本算法在簇頭選擇機制上加入了能量控制因素，讓剩余能量高的節點有更大的概率當選為簇頭。具體實現方法是通過節點當前剩余能量與其初始能量的比值來影響閾值T(n)，T(n)的計算方法如下：

式中：En_current表示節點當前的剩余能量；En_initial表示節點的初始能量；rm表示節點連續未當選為簇頭的輪數，每輪進行簇頭選擇時若該節點當選為簇頭，則rm重置為0，而若該節點未當選為簇頭，則rm自增一次。
在簇頭選擇算法中加入上述能量限制因素后，節點當選為簇頭的隨機性大大降低，剩余能量多的節點比剩余能量低的節點有更大的幾率當選為簇頭，因此極大地利用了節點的剩余能量，有效防止了某些節點能量消耗過快以致死亡，平衡了網絡內節點的能量消耗。
2．2 簇頭數據融合樹的建立
依據LEACH對無線傳感器網絡的假設，節點發送信息的能耗ETx(k，d)與接收信息的能耗ERx(k)分別為：

式中：Eelec為發送和接收單位信息的能耗；εamp為信號發送放大器向單位距離發送單位信息的能耗；k為傳輸的信息量；d為信息發送節點與接收節點間的距離；λ為路徑損耗指數。
由上述公式可知，節點發送信息消耗的能量會因為距離的增加而大幅增加，而在LEACH的數據傳輸階段，簇內各節點將數據傳輸給簇頭之后簇頭直接與基站通信，這雖然簡便，但若簇頭與基站距離過遠，數據傳輸所消耗的能量將會很大，為解決這個問題，本文將在簇頭節點與基站的通信中加入多跳的數據融合樹。