WSN中的路由协议改进技术探究

柴远波，贾宇飞，周明亮

（黄河科技学院 河南 郑州 450063）

1 网络层路由协议

在无线传感器网络系统网络中，网络层上的路由技术对无线传感器系统网络的性能有非常重要的影响。随着国内外对无线传感器网络的研究发展，许多针对无线传感器的路由协议被提出来。在网络拓扑的结构看法上，我们可以把这些路由协议分分成两大类，平面路由协议和层次路由协议。

在平面路由这一类协议中，它的所有网络节点地位都是一样的。在等级上和层次上不存在差异。它们能够在局部操作和信息反馈相互之间的数据传输来生成路由。在这一类的协议中，其中目的节点（source）首先发出去查询命令，通过在检测区域的节点收到查询的命令后，在去向目的节点发送监测的数据。

其中平面路由优点主要是：简单、易扩展性，不需要进行结构维护、所有节点地位一样，基本不产生瓶颈效应、有较好的健壮性。DD（Directed Diffusion）、SAR（Sequential Assignment Routing）、SPIN（Sensor Protocolsfor Informationvia Negotiation）、Romor Routing等这些都是典型的平面路由算法。平面路由目前的缺点：由于各节点地位平等，不存在管理节点。无法对通信资源进行优化的管理，自组织协同方面的算法也较为复杂，应对网络的动态变化反应速度也比较慢。在分簇路由这方面协议中，网络是被划分成簇（cluster）的。簇就是具有某种关联的各网络节点集合。每一个的簇都是有一个簇头（clusterhead）与多个簇内的成员（clustermember）构成，低一级网络的簇头是比它高一级的簇内成员，其中最高层的簇头与基站BS（basestation）通信。这一类的算法是将整个网络划分成相连的区域。在这种分簇拓扑的管理机制下，可以网络中的节点划分成簇头节点和成员节点。在一个簇内，是根据某一些机制算法来选取簇头节点，用来管理整个簇内的成员节点和协调成员节点之间的工作，簇头节点负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇之间的转发。LEACH是最早提出的应用在无线传感器网络中分簇路由协议。它的这种成簇思想给后来的很多分簇路由协议提供了宝贵的思想，例如TEEN协议和HEED协议等。

本文提出的是基于LEACH算法的多跳路由算法，采用簇头之间多跳算法，而簇头节点的选取可根据节点能量剩余情况。尽量选取能量较高的簇头节点把信息传递到基站。均衡地消耗节点能量。从而延长网络生存时间[2]。

2 LEACH协议

LEACH协议的全称是 “低功耗自适应集簇分层次型路由协议”（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）， 它是国外科学家来为无线传感网设计的低功耗自适应分层路由算法。LEACH这种算法的基本原理就是在运行过程中不断用循环这种方式执行簇的重构 ，它是根据网络中节点能量剩余的不同情况，动态地去选择集中式或者是分布式分簇算法，这样可以有效地延长整个网络的生命周期，同时也考虑到了网络拓扑结构的变化，从而保证了整个网络的稳定性。经过系统仿真实验表明，LEACH的网络生命周期比一般的平面多跳路由协议和静态分层算法长15%。

LEACH在运行的过程中是不间断循环去执行簇的重新建立过程。每一个簇的重新建立过程都可以用“轮（round）”的概念来描述它。每个轮是划分成两个阶段，分别是：每个簇的建立阶段与传输数据的稳定阶段。为了去节省资源的开销，要求稳定阶段的持续时间要高于簇建立阶段的持续时间。其中又可以把簇的建立分成4个阶段:

(4)对热点学科进行分析，发现临床医学主要研究内容集中在护理上，肿瘤学主要研究类型涉及鼻咽癌、肝细胞癌、肺肿瘤、乳腺癌、鼻咽肿瘤、肝癌、肺癌、乳腺肿瘤、胃癌、肝肿瘤、非小细胞肺癌等，中药学主要研究药物成分以及细胞增殖与凋亡；

1）簇头节点的选择

2）簇头节点的广播

3）簇的建立

4）调度机制的生成

簇头节点的选择是根据整个系统网络中需要的簇头节点的总数和目前为止每一个节点成为簇头的次数来决定。选择的具体办法是：每一各节点都选择0到1间的一个值，如果选的值大于阈值T（n），则这个节点成为簇头节点。

T（n）值计算如下:

式（1）中的p是网络中簇头总数占总节点数的百分比值；r是代表目前选举轮数；G是最近1/p轮没有成为簇头的节点集。

定下簇头这个节点后，是通过广播的方式来告之整个网络。网络中的其他节点根据接收到的信号强度去判定属于哪个簇，然后去通知相对应的簇头节点来完成簇的建立。到最后，簇头节点采用是TDMA方法去为簇中的每一个节点来分配向其传送数据时间片。

在稳定阶段中，普通节点把采集到的数据发送到簇头节点。簇头节点对所有普通节点采集的数据进行融合后再传送到基站，这种方法可以减少通信业务量，是一种合理的工作模式。

稳定阶段持续一定的时间后，整个网络又重新进入到簇的建立阶段，去进行下一轮簇的重新构成，这样来不断的循环。每个簇用的是不同的CDMA代码进行通信去减少其他簇里面的节点干扰。

图1 LEACH路由协议拓扑结构Fig.1 Topology structure of LEACH routing protocol

LEACH算法特点：

1）数据聚合度高：簇头节点融合并筛选来自于簇内不同源节点所产生的数据，并将数据发送到基站，避免了数据的重复冗杂，有效的减少通信量，减小了能耗，提高了网络的生存时间可以对系统变化作出快速反应；

2）高效的数据冲突解决机制：LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少簇内和簇间的冲突；

3）保持通信量负载平衡：通过更加灵活地使用路由策略让各个节点分担数据传输，平衡节点的剩余能量，提高整个网络的生存周期。例如，可在层次路由中采用动态的簇头[3]。

3 簇头节点信息的转发路径

基于LEACH算法提出簇头节点之间形成多跳路由，在根据簇头节点的能量剩余情况选择选择传递信息的簇头节点。最后选取一个簇头节点把信息传递给基站。这种可称为LEACH——DE。

现在根据簇头节点剩余情况划分。设定两个临界值分别为a，b将簇头节点划分为3个能量状态。

（1）正常值：簇头节点能量剩余大于a，能量充足。可进行信息的发送和转发。

（2）偏低值：簇头节点能量剩余大于a小于b。一般只需要进行信息的发送。

（3）危险值：簇头节点能量剩余小于b。此时应考虑更换簇头（其他节点代替）[4]。

下面是做出的一个简单模型图。此图为理想状态下。

图2 基于LEACH协议的高效聚类路由算法的数据传输和聚合过程Fig.2 Based on data transmission and efficient clustering routing algorithm of LEACH protocolandthe polymerization process

图3 WSN簇头节点转发信息模型Fig.3 WSNcluster head nodes forwarding informationmodel

A，B，C，D，E，F 簇头节点，都需要把信息发送到基站。 有图可知C点能量大于F点能量。而此时这些根据上述所提到的把所有簇头节点需要转发的信息转发到一个簇头节点上。由于在无线通信中，能量消耗E与通信距离d存在关系:

其中k表示一个常量，n是无线产品或者站点能量和站点之间的一个常量系数，这个值不是一个确定的值，根据不同的产品这个值有大有小，2≤n≤4。由于传感器网络中节点一般都是贴近地面的，应用环境中可能有很多的障碍物，导致接收天线的接受能力也有限，n这个值接近于4。可知在无线通信中，能量的消耗E与距离四次方成正比。因此随着通信距离的增加，能量消耗E将会急剧的增加。为了降低能量的消耗应该尽量减小单跳通信距离的增加。其中多个短距离跳的数据传输比一个长跳的传输能耗会低些，所以要尽量使用多跳的无线通信方式[5]。

有上述可知应选取F点或者C点接受所有节点转发过来的信息然后发送到基站。假设各节点信息都转发到F点。但F点节点能量偏低。在转发有限的次数将要“死亡”。这就不利于网络的生存。假设选取C点，C点能量充足。转发的次数远大于F点。这样就延长了网络的生存时间。这个简单模型验证了选取能量过高的簇头节点去转发所有簇头节点的信息。可大大增加网络生存时间。

在以E为例说明，在E簇头节点要把信息转发到基站。现在有两条链路选择，一条为E——B——C在到基站，另一条为E——F——C在到基站。 其中E——F——C到基站链路中有F簇头节点能量处于偏低状态。如果F簇头节点过多的转发信息，将导致能量很快用尽，这就不利于整个网络的生存。只让F点发送自身信息转发到下一个簇头节点，这样相对而言可以延长网络的生存时间。

4 结 论

本文提出的LEACH——DE算法是在李岩先生基础上提出。在LEACH算法中，簇头的选择是以轮的方式进行，能够可以均衡的消耗各网络节点的能量。但是如果只是在簇头节点传递到基站上按贪心算法进行。是无法考虑到节点固有能量剩余的问题。当簇头节点间传递信息以多跳方式进行，能够很快的使数据传送到基站。在以LEACH——DE算法顾及到簇头节点能量偏低状态，避免转发信息。可以使能量偏低的节点延长生存时间。在整个网络节点上考虑，优先使用能量充足的簇头节点。可以达到均衡消耗网络节点能量[6]。

[1]李岩，张曦煌，李彦中.LEACH-EE——基于LEACH协议的高效聚类路由算法[J].计算机应用，2007（5）:1103-1105.LIYan，ZHANG Xi-huang，LIYan-zhong，LEACH-EE.efficient clusteringrouting algorithm of LEACH protocol[J].Computer Application，2007（5）:1103-1105.

[2]韦宏利，方玉杰.LEACH协议算法改进及仿真[J].西安工业大学学报，2010，30（6）:570-573.WEIHong-li，FANG Yu-jie.Improvement and simulation of LEACH protocol algorithm[J].Journal of Xi’an Technological University，2010，30（6）:570-573.

[3]赵清华.无线传感器节点能量管理系统的研究 [D].太原：太原理工大学，2010.

[4]孙丽莉.无线传感器节点能量管理技术研究[D].广州：华南理工大学，2009.

[5]王慧，陆晓希.基于LEACH协议的研究与改进[J].火力与指挥控制，2010（4）:124-127.WANG Hui，LU Xiao-xi.Researchand improvement based on LEACH protocol[J].Fire and Command Control，2010（4）:124-127.

[6]张强，卢潇，崔晓臣.基于能量高效的无线传感器网络LEACH协议改进[J].计算机工程与设计，2011（2）:427-429.ZHANG Qiang，LU Xiao，CUI Xiao-chen.Improved energy efficient LEACH protocol in wireless sensor network based on[J].Computer Engineering and Design，2011（2）:427-429.