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1、基于分簇WSN路由算法探究和改進 摘要：為了更好地滿足無線傳感器網絡（WSN）低功耗的要求，延長網絡的生存周期。對WSN分簇路由算法LEACH（低功耗自適應分簇）的簇頭節(jié)點選擇機制進行改進，提出了改進算法LEACH-IMP，實現(xiàn)減少網絡能耗、延長網絡生存周期的目的。利用網絡仿真工具NS2進行仿真，對LEACH算法與改進算法進行比較與分析，仿真結果表明，改進算法有效地延長了網絡的生存周期。關鍵詞：WSN路由算法分簇LEACH生存周期中圖分類號：TP393；TN915文獻標識碼：A文章編號：1007-9416（2
2、013）12-0131-021引言隨著傳感器技術、無線通信技術、微系統(tǒng)技術、嵌入式計算機技術的飛速發(fā)展，推動了低成本、低功耗、多功能的無線傳感器網絡（WirelessSensor5Network，WSN）的快速發(fā)展。WSN由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點構成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和處理網絡覆蓋范圍內的監(jiān)測對象的信息，并將信息通過互聯(lián)網發(fā)給觀察者[1]。WSN是信息監(jiān)控和采集的一項新技術，作為一個全新的科學研究領域，不論是基礎理論研究還是實踐應用都還處于起
3、步階段，存在許多挑戰(zhàn)性的研究課題。WSN是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，具有的眾多類型的傳感器，可探測包括溫度、濕度、地震、電磁、噪聲、光強度、壓力等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。被廣泛地應用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事、機械設備測量、工農業(yè)等領域[2]。2WSN路由協(xié)議WSN路由協(xié)議是無線傳感器網絡的一個關鍵技術，也是當前研究的一大熱點，路由協(xié)議的好壞直接影響著網絡的性能。WSN的應用背景千差萬別，針對不同的應用環(huán)境，研究人員提出不同的路由協(xié)議。從網絡結構和數(shù)據(jù)傳輸模型出發(fā)，可將
4、WSN的路由協(xié)議分為平面的、分簇的、基于地理位置的、基于服務質量的四種路由協(xié)議。分簇路由協(xié)議的基本思想是：在所有傳感器節(jié)點中選擇一部分節(jié)點充當簇頭節(jié)點，其余的非簇頭節(jié)點選擇性加入到相應的簇中形成一個簇。簇內節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)轉發(fā)給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點對簇內節(jié)點發(fā)來的信息進行數(shù)據(jù)融合和處理并轉發(fā)給匯聚節(jié)點，從而達到節(jié)省能量和提高可擴展性的目的。比較典型的分簇路由協(xié)議有LEACH、LEACH-C、PEGASIS、HEED等[3]。3LEACH協(xié)議3.1LEACH協(xié)議5LEACH（LowEnergyAdaptiv
5、eClusteringHierarchy）是一種典型的WSN分簇協(xié)議，由MIT的Heinzelman等人為WSN專門設計的一種低功耗自適應主動網絡聚類路由協(xié)議，在WSN的路由協(xié)議中占據(jù)重要的地位[4]。LEACH是通過數(shù)據(jù)壓縮和按輪分簇的方法降低了網絡的能耗，使得網絡的負載比較均衡，有效地延長了網絡的生存期。3.2LEACH協(xié)議簇頭選擇機制4.1LEACH協(xié)議的不足LEACH協(xié)議選擇簇頭節(jié)點時，沒考慮節(jié)點的剩余能量。LEACH的簇頭選擇算法中，節(jié)點能否當選為簇頭節(jié)點的概率只和網絡中簇頭節(jié)點在所有節(jié)點中所占的比例
6、和節(jié)點是否當選過簇頭節(jié)點有關聯(lián)，沒有考慮節(jié)點的剩余能量。4.2改進算法LEACH-IMP在選擇簇頭節(jié)點時，若能考慮節(jié)點的剩余能量，使高能量的節(jié)點有更大的概率成為簇頭節(jié)點，就能有效避免低能耗節(jié)點當選為簇頭。由式（2）可知，改進后的算法在設置門限值時引入節(jié)點的剩余能量，把節(jié)點的剩余能量作為當選為簇頭節(jié)點的一個影響因子。這樣可以有效的避免將低能量級的節(jié)點選舉為簇頭節(jié)點，延長整個網絡的生存期。5仿真實驗5仿真實驗利用網絡仿真工具NS2進行仿真[5]，采用的模擬參數(shù)值有，網絡的節(jié)點數(shù)N為100個，每個節(jié)點的初始能量E2都
7、為2J，網絡帶寬為2M/s，網絡的覆蓋區(qū)域為100m×100m，協(xié)調器節(jié)點（Sink節(jié)點）的坐標為（50，100），每一輪的時間為20s，時間片的大小為0.023s，數(shù)據(jù)包大小為4000bit，廣播包的大小為200bit。為了驗證該理論結果，用上面的參數(shù)值在NS2上進行仿真實驗，分析網絡總能耗和網絡節(jié)點存活數(shù)量在LEACH和LEACH-IMP不同算法之下兩個指標的對比關系。仿真結果如下：由（圖1）可得改進算法LEACH-IMP的能耗比較少，提高了能量利用率，延長了網絡的生存周期。由（圖2）可看出LEACH-IM
8、P算法有效地延長了網絡的生存周期，LEACH算法在150s左右就開始出現(xiàn)死亡節(jié)點，而LEACH-IMP算法在350s才開始出現(xiàn)死亡節(jié)點。綜上可得，改進算法LEACH-IMP減少了網絡中節(jié)點的總能耗，提高了網絡的能量利用率，有效地延長了網絡的生存周期，與所得理論相符，驗證了理論結果。6結語5本文研究了WSN的路由協(xié)議，重點對LEACH路由算法進行了分析及改進，提出了改進算法LEACH-I
