WSN的一種基于能量估算的集中式分簇路由協議

引言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一個自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。由于無線傳感器網絡節點的能量、存儲空間、計算能力等的限制，使得傳統的無線路由協議不適合無線傳感器網絡。因此，設計能夠有效節約能量、延長網絡生命周期的路由協議，對無線傳感器網絡來說意義重大。分簇路由協議在這方面具有很好的性能。
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協議是無線傳感器網絡中第一個基于分簇的路由協議，通過周期性地隨機選舉簇首來保證節點有相等的機會成為簇首，均衡節點能量的消耗，從而達到延長網絡生命周期的目的。其成簇思想貫穿于其后提出的很多分簇路由協議中，如TEEN(Threshold—sensitive Energy Efficient sensor Network protoc01)、PEGASIS(Power Efficient GAthering in Sensor Information System)等。LEACH-C(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy—Centralized)是LEACH協議的一個特定版本，是一種集中式的簇首產生算法。在LEACH—C中，當每輪開始時，每個節點將自身地理位置和剩余能量等信息報告給基站，基站根據這些全局信息挑選簇首，能夠確保簇首的數量和位置最優，性能比LEACH協議有了顯著提高。但是，這種算法由于每次都與基站進行交互，增加了不少的能量消耗。
針對無線傳感器網絡中LEACH—C協議存在的不足，本文在對LEACH—C協議研究的基礎上提出一種基于能量估算的集中式分簇路由協議LEACH—EE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy—Energy Estimate)。該協議通過對能量消耗進行估算，減少傳感器節點與基站的通信量，從而節約整個網絡的能耗。

1 網絡模型及無線通信能耗模型
1．1 網絡模型
本文假設n個傳感器節點隨機分布在區域A內，并且該傳感器網絡具有如下特性：
①網絡部署完畢后，所有節點都是靜止不動的，節點能夠獲知其位置信息。
②網絡規模小，所有節點都可以直接與基站通信。基站唯一且位置固定。
③普通節點能量有限，且具有相同的計算、通信能力和初始能量，而基站的能量和計算能力沒有限制。
④傳感器網絡是主動型的傳感器網絡，負責持續監測周圍環境現象并以恒定速率發送數據。
⑤傳感器節點的數據融合比例系數為β，即ktrans=krec／β，其中krec、ktran分別表示傳感器節點接收到的數據包長度和融合后形成的數據包長度。
1．2 無線通信能耗模型
采用與參考文獻相同的無線能耗模型。發送數據時的能量消耗為：

其中，k為發送數據bit值；d為實際通信距離；d0為距離閾值，當傳輸距離小于d0時，功率放大損耗采用自由空間模式，否則采用多路徑衰減模式；Eelec表示節點電路發送和接收每bit數據的耗能；εfx和εamp分別表示放大器在2種衰減模型下的能耗系數。

2 基于能量估算的集中式分簇路由協議
本文提出的基于能量估算的集中式分簇路由協議LEACH—EE的思想如下：
①網絡部署完畢后，每個節點將自己的位置和當前能量等信息發送給基站，基站運用類似LEACH—C的思想選擇合適的簇首并進行簇的劃分，并給每個簇加上簇標識，如c1，c2，c3，…，cn等。最后基站將簇首、簇標識、簇結構等信息廣播出去，分簇完成。
②接著是一輪數據傳輸的穩定階段。在這一階段，傳感器節點將監測數據傳輸給簇首，簇首將數據融合后加上簇標識，然后把數據傳輸給基站，基站統計每個簇發送過來的數據量。當一輪數據傳輸結束后，基站根據這輪接收到的每一個簇的數據量估算出本輪中這個簇內所有節點的能量剩余情況。具體如下：
假設第m(m=1，2，3，…)輪基站接收到簇標識為ci的簇的數據量為k bit，那么該簇內節點的能量剩余情況估算分兩種情況：
a)簇首的能量剩余。簇首的能量消耗包括以下三部分：接收簇成員節點發送過來的數據的能耗、融合數據需要的能耗和將融合后的數據轉發給基站的能耗。因此簇首的能耗為：

b)簇內其他成員節點的能量剩余情況估算。簇內其他成員節點的能量消耗只有發送數據時的能量消耗。由于采用的網絡模型中各個傳感器節點以恒定的速率發送數據，所以本文近似認為簇內每個成員節點發送的數據量是均衡的。因此，假設簇ci內有ni個成員節點，則該輪中每個簇內成員節點發送數據量k’近似為k’=k／ni。

記該簇內成員節點j到簇首的距離為dij(為了節省網絡能耗，要求dijd0)，根據能量消耗公式(1)，則該成員節點第m輪的數據能耗為：

這樣，一輪數據傳輸結束之后，基站可以近似估算出所有節點的剩余能量，并根據這些估算值重新選擇合適的簇首并進行簇的劃分，開始新一輪的工作。
③當間隔一定的輪數(相當長的一段時間)，或者傳感器節點的能量低于一定的值，或者有新成員節點加入時，基站再要求傳感器節點匯報自己的能量等信息，并根據接收到的信息重新校正估算的各個節點的剩余能量，使這些數值精確，然后再重新進行簇首的選擇和簇的劃分。
比起LEACH—C，LEACH—EE協議不需要傳感器節點每輪結束后向基站匯報自己的位置、能量等信息，節省了能量開銷。同時，由于間隔一定的時間會對估算值進行精度調整，所以LEACH—EE協議的性能比較好。
3 仿真及結果分析
本文使用Matlab對LEACH—EE協議進行仿真，并和LEACH、LEACH—C協議進行比較。仿真場景設置如下：100 m×100 m的區域內隨機部署50個傳感器節點，基站位于坐標(50，50)處，節點的初始能量為1 J，數據包大小為2000 bit，Eelec=50 nJ／bit，εfx=10 pJ／(bit·m2)，εamp=0．0013 pJ／(bit·m4)，d0=87．7 m，β=1000，數據融合的能耗EDA=5 nJ／bit。本文從簇首的分布位置、網絡總能量消耗、網絡的節點存活數三方面對比了LEACH、LEACH—C和LEACH—EE協議，并給出了LEACH—EE協議中不同時刻能量估算的誤差圖。