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四种无线传感器网络路由协议的仿真研究
chuandongman 发表于 2008/12/9 15:15:35 982 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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摘 要：本文首先简要地介绍了无线传感器网络的概念，然后分析了四种无线传感器网络路由协议的特点，讨论了无线传感器网络协议在网络仿真工具NS2 平台下的扩展结构，在配置了相关的实验参数之后，在NS2 下对这四种最为常见的无线传感器路由协议进行了仿真实验，通过分析得出的实验结果，可以看出，四种路由协议在不同的应用环境下各有利弊，但综合看来，像LEACH和LEACH-C这样的层次路由协议各方面的性能要比像MTE和Static Clustering 这样的平面路由协议的性能更为高效。
关键词：无线传感器网络；路由协议；仿真
1. 引 言
作为一种典型的普适计算的应用，无线传感器网络[1，2](Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是指一组传感器节点被部署在监测区域中，这些传感器节点以无线通信方式形成一个自组织网络系统，它们协作的感知、采集并处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器节点、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。无线传感器网络融合了现代通信、微电子机械系统和微电子等领域的最新技术，改变了人类与自然界的交互方式，将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，被广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、城市交通等领域。在无线传感器网络中，传感器节点先通过飞机布撒，人工布置或火箭弹射等方式部署，然后节点将收集到的数据传送到基站，最后，借助基站将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。在传感器网络中，绝大多数节点只有很小的发射/接收范围，但基站具备较强的发射能力，它具有较高的电能，可以把数据发回远程控制中心。基站还可以通过网关设备与Internet 或卫星相连，通过Internet 或卫星实现任务管理节点与传感器之间的通信。图1 为典型的无线传感器网络结构图。
2. 四种无线传感器网络路由协议
2.1 LEACH
LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)协议[3]作为一种基于节点分簇的协议，它是无线传感器网络最早提出的分簇路由协议，它的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，并利用以下
概率公式随机地产生簇头。
其他
其中，P 是簇头在所有节点中所占的百分比，r 是选举轮数，G 是这一轮循环中未当选过簇头节点的节点集合。在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合、与基站通信等工作，所以能量消耗大。LEACH 算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量。
2.2 LEACH-C
引入中心控制机制，保证簇头较优地分布于网络中，从而优化网络性能。这就是LEACH-C 协议[4]提出的基础。
LEACH-C 协议也分为簇的建立和数据传输阶段。在簇的建立阶段，所有节点都将自己的位置与能量信息传送给基站。基站计算出所有节点能量的平均值，只有能量大于平均值的节点才有资格成为簇头。然后基站利用模拟退火算法划分簇，选出簇头节点。然后向所有节
点广播簇头节点的ID 信息，各个节点根据接收的消息判断自己的身份。如果ID 与自己的ID 信息相同，则成为簇头；否则，则根据自己所在的簇决定自己的数据传输TDMA 时隙，并进入“睡眠”状态，直到传输数据的时隙到来。数据传输阶段，LEACH-C 与LEACH 机制
相同。从LEACH-C 的簇头选举机制可以看出，相比较LEACH 而言，它所选举的簇头是由中心控制生成，能量也更有保障，由此形成的簇分布更为均匀。同时通过缩短非簇头节点和簇头节点间的通信距离，减少了非簇头节点传输数据给簇头所耗费的能量，从而优化网络的能耗。但是，该算法中基站需要知道每个节点的地理位置和能量信息，这样的网络就不完全是一种自组织的网络，算法的使用范围也就受到一定的限制。
2.3 MTE
MTE 协议利用最小化传输能量的多跳传输方式建立路由。协议在仿真开始时运行相关算法以决定它的下一跳邻居节点，该节点是其通往基站方向上的最近的邻居节点，然后数据通过这些一跳邻居节点被发送到基站。这样，节点除了感知环境收集信息外，还要为其他节
点进行数据中转。节点发送数据时，利用CSMA(载波侦听多路访问)方式监听信道，如果信道忙，节点不立即发送数据；否则，就将数据发送到它的下一跳邻居节点。当某节点死亡时，它的上游邻居节点会将数据发送到它的下游邻居节点上以保持网络的连通性，这就增加了上游邻居节点的发送能耗。如果数据间没有相关性(即无需进行数据融合)，这是一种能耗最小的方法。
2.4 Static Clustering
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4. 仿真实验
4.1 仿真环境建立
使用NS2 对无线传感器网络进行仿真实验，比较不同协议的性能。实验中，如图3 是随机布置的100 个节点的网络，基站位于(50,175)，图中没有标识出。实验的相关参数设置如表1 和表2。
4.1 结果及分析
实验中，网络中每个节点初始2J 能量，且发送到基站的数据量不受限制。仿真中，节点发送数据、接收数据以及进行数据融合自身能量均会减少，且节点耗尽能量(死亡)后，不再发送或接收数据。实验中假设节点在静态情况下没有任何能耗，且载波监听也无能耗。
图4、5、6 显示四种协议随时间的基站接收的数据总量，随时间的节点总能耗，给定能量下基站接收的数据总量。
图4 显示随时间推移四种协议基站接收的数据量的变化情况。从图中可以看出，相同时间下MTE 协议发送到基站的数据量是最少的，这是由于MTE 协议发送数据是利用多跳方式，故耗费在传输路径上的时间更多，而其它三种协议的数据发送均是单跳方式，并且要进
行数据融合，那么基站会接收到更多容量更小的有效数据。图5 显示随时间四种协议下网络节点的总能耗变化情况。从图中可以看出，LEACH、LEACH-C 和MTE 协议均耗尽了网络的总可用能量200J(2J/node * 100 nodes=200J)，而静态成簇协议整个仿真过程只消耗了20J 左右能量，这是由于静态成簇协议中因为簇头的过早死亡，已经无法充分利用簇成员的有效剩余能量，即簇成员在簇头死亡后不再工作。从图中还可以看出，MTE 协议能耗最快，这是由于无数据融合且多跳传输而导致大量的冗余数据发送。
图6 显示给定能量下基站接收的数据量的变化情况。从图中可以看出，单位能耗下LEACH 和LEACH-C 发送更多数据到基站，MTE 协议耗尽所有能量下只发送了7000 单位的数据，这是由于它无法利局部计算以减少发送的数据量，并且该协议花费在传输路径上的
时间太长，所以能耗较快。静态成簇协议消耗20J 左右能量总共发送了8000 单位数据，簇头死亡之后，簇成员均不再工作。综合图4、5、6 可以看出，LEACH 和LEACH-C 均比较高效，而LEACH-C 比LEACH单位能量下多发送大约40%的数据到基站，这主要由于基站有网络中所有节点的位置与能量信息，因此它能形成较低数据传输能耗的更好的簇。
图7、8 显示随时间网络存活节点数的变化情况和给定接收数据量时存活节点数变化情况。从图7 中可以看出MTE 协议节点存活时间较长，这主要是由于发送到基站的数据量较少。从图8 可以看出由于LEACH 中的节点更加高效地使用了能量，它比MTE 协议在节点死亡率相同时要多发送10 倍数据到基站。综合两图可以看出，轮换簇头节点和相应簇具有较明显的优势，静态成簇协议中，簇固定，簇头死亡后，其它节点停止工作，因此系统寿命也极大缩短。
5. 结论
无线传感器网络路由协议的相关研究是现在的热点，本文在网络仿真平台NS2 下对无线传感器网络四种路由协议LEACH、LEACH-C、MTE 以及Static Clustering 进行了仿真实验，针对实验结果对四种协议的性能进行了分析比较。从实验结果可以看出，四种在不同应用环境下各有优劣，但不可否认，像LEACH、LEACH-C 这样的层次协议比MTE、Static Clustering 这样的平面协议更加高效。
参考文献
[1] 孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络,北京,清华大学出版社,2005:3~24
[2] 任丰原，黄海宁，林闯，无线传感器网络[J]，软件学报，2003，14(7)；1282-1291
[3] Heinzelman W R.Chandrakasan A, Balakrishnan H.An Application-Specific Protocol for
Wireless Microsensor Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communication,
2002.l(4):660-670.
[4] Muruganathan S D, Ma DCF, Bhasin PI,and et al, A centralized energy-efficient
routingprotocol for wireless sensor networks, IEEE Communications Magazine, 2005, 43(3):8-13
[5] 徐雷鸣等.Ns 与网络模拟[M]．北京：人民邮电出版,2003