NS-2環(huán)境下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化仿真分析

NS - 2 under the environment of wireless sensor network communication optimization simulation analysis

WANG Zhang-jing

(School of Electronic Engineering e, University of electronic science and technology of China, Chengdu 611731, China)

Abstract: With increasingly complex working environment, wireless sensor network node from the group as the number of random distribution, it is difficult to control. The traditional node selection algorithm of wireless sensor networks are based on the relationship between energy and path optimization, in the process of communication without considering the problem of feature point from the group of nodes communication protocols rely on node attribute correlation selection, once the network is formed in a large number of feature points from the group, then the node properties deviating from the original data from the group, will cause the space loss, deterioration in protocol communication efficiency. An improved optimization algorithm of wireless sensor network communication. By comparing the surplus energy of node, selecting reasonable node as the cluster head node, and these cluster head nodes are evenly distributed. Sending more jump method and single hop transmission method, avoid the traditional protocol too single defect, so as to realize the optimization of communication. Algorithm based on the experimental results show that using the improved routing protocol to build, can balance the energy consumption between each cluster head node, thus effectively prolong network life time, improve the communication efficiency of wireless sensor network. 

Key word: Routing protocol; Cluster head node; The network survival time; 

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入到軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、智能交通管理等各種不同的行業(yè)中，發(fā)揮著日益重要的作用[1]。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中，需要利用隨機(jī)分布的傳感器對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制端，從而為相關(guān)領(lǐng)域的決策提供依據(jù)[2]。因此 ，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議構(gòu)建方法已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)需要研究的核心問(wèn)題，受到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[3]?，F(xiàn)階段，通常使用的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議構(gòu)建方法包括基于平面算法的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議構(gòu)建方法、基于層次模型的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議構(gòu)建方法和基于LEACH算法的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議構(gòu)建方法[4]。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議構(gòu)建方法在不同領(lǐng)域中都擁有極其廣闊的發(fā)展前景，對(duì)人類(lèi)的發(fā)展產(chǎn)生了十分重要的影響，因此，成為大家研究的核心問(wèn)題[5]。  

在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，通常情況下需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)屬性之間的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)能量和路徑最優(yōu)化關(guān)系建立路由協(xié)議,進(jìn)而完成復(fù)雜的通信過(guò)程[6]。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)選擇算法都以能量和路徑最優(yōu)化關(guān)系為基礎(chǔ)。通信過(guò)程中沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)中的離群特征點(diǎn)問(wèn)題，通信協(xié)議僅僅依靠節(jié)點(diǎn)屬性的關(guān)聯(lián)性選擇節(jié)點(diǎn)，一旦網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的離群特征點(diǎn)，則這些離群節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)屬性偏離原始特征，將造成空間失連，導(dǎo)致協(xié)議通信效率變差[7~8]。

針對(duì)上述傳統(tǒng)算法的缺陷，提出了一種LEACH優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化算法。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行對(duì)比，選取合理的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，并對(duì)這些簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均勻分布。將多跳傳輸方法和單跳傳輸方法結(jié)合，避免傳統(tǒng)協(xié)議過(guò)于單一的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程的優(yōu)化

2 LEACH路由協(xié)議環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信原理

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)是以節(jié)點(diǎn)間互相通信為基礎(chǔ)完成的,過(guò)程如下:設(shè)置無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是個(gè)，這些節(jié)點(diǎn)都是均勻分布在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的，該覆蓋區(qū)域是邊長(zhǎng)為的正方形。該網(wǎng)絡(luò)僅包含一個(gè)基站，該基站的空間位置在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域外的固定位置。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的空間位置是保持不變的。所有節(jié)點(diǎn)的能量基本都是一致的，但是節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋半徑是可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整的。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，通信時(shí)需要消耗的能量能夠用下述公式進(jìn)行描述：

 （1）

   在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)隨機(jī)生成一個(gè)數(shù)值，假設(shè)該數(shù)值小于閾值，則判斷該節(jié)點(diǎn)是簇頭節(jié)點(diǎn),可以進(jìn)行通信 。利用下述公式能夠計(jì)算簇頭節(jié)點(diǎn)閾值：

(2)

式中，，是全部傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，是簇頭節(jié)點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中所占的比例，是網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)目。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)的分布情況能夠用下圖進(jìn)行描述：

圖1 簇頭節(jié)點(diǎn)分布圖

傳統(tǒng)LEACH算法是利用單跳傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)能夠用下圖進(jìn)行描述：

圖2 單跳傳輸方法結(jié)構(gòu)圖

在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性之間的關(guān)聯(lián)性，能夠完成通信。但是,傳統(tǒng)算法中沒(méi)有考慮離群節(jié)點(diǎn)問(wèn)題,假設(shè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量的離群特征點(diǎn)，將造成無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的空間連通性降低，從而降低了該網(wǎng)絡(luò)的通信效率。根據(jù)公式（1）能夠得知，假設(shè)離群特征點(diǎn)的數(shù)量增加，將造成無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗增大。根據(jù)公式（2）能夠得知，假設(shè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗增大，將造成簇頭節(jié)點(diǎn)閾值減小，從而減少了閾值節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，最終降低了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)的連通程度。

3 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化算法分析

利用傳統(tǒng)算法進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議構(gòu)建，無(wú)法避免由于離群特征點(diǎn)數(shù)目增加造成的節(jié)點(diǎn)連通性降低的缺陷，從而降低了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的通信效率。為此，提出了一種基于優(yōu)化算法的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信算法。

3.1簇頭節(jié)點(diǎn)的選取

利用傳統(tǒng)的LEACH算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建時(shí)，全部節(jié)點(diǎn)所擁有的能量是相同的，所以，簇頭節(jié)點(diǎn)是在覆蓋區(qū)域中隨機(jī)選取的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率相等。但是，在經(jīng)過(guò)幾次通信后，節(jié)點(diǎn)擁有的能量會(huì)存在較大程度的區(qū)別，假設(shè)此時(shí)簇頭節(jié)點(diǎn)的選取仍然是隨機(jī)的，則容易存在簇頭節(jié)點(diǎn)能量小于普通節(jié)點(diǎn)的情況。因此，需要對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)選取方法進(jìn)行優(yōu)化處理。在優(yōu)化處理過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)擁有的能量成為簇頭選取的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化處理，能夠提高能量較高的節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的可能性，從而改善無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

設(shè)置是當(dāng)前通信過(guò)程中節(jié)點(diǎn)中剩余的能量，是節(jié)點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)行通信時(shí)的能量，是節(jié)點(diǎn)剩余能量的等級(jí)，則能夠得到下述結(jié)果：

                      （3）

利用下述公式能夠計(jì)算簇頭節(jié)點(diǎn)選取閾值：

（4）

根據(jù)上述方法進(jìn)行簇頭節(jié)點(diǎn)選取，能夠減少能量較低的節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的可能性，避免由于簇頭節(jié)點(diǎn)能量過(guò)低導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)連通性降低的問(wèn)題。

3.2 簇頭節(jié)點(diǎn)的分布

為了提高無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，需要將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均勻分布在覆蓋區(qū)域中，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域進(jìn)行區(qū)域化處理，使簇頭節(jié)點(diǎn)和基站之間的距離保持在一定的范圍中，從而避免了簇頭節(jié)點(diǎn)分布過(guò)于集中的問(wèn)題。

設(shè)置無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域面積是，簇頭節(jié)點(diǎn)在所有節(jié)點(diǎn)中所占的比例是。假設(shè)整個(gè)目標(biāo)區(qū)域都被覆蓋，則需要簇頭節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑符合下述公式的要求：

                      （5）

    設(shè)置無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)之間的距離是，則該距離的取值應(yīng)該小于簇頭覆蓋區(qū)域直徑。為了使簇頭節(jié)點(diǎn)均勻的分布在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中，簇頭節(jié)點(diǎn)之間的距離需要符合下述公式的要求：

   （6）

設(shè)置是任意簇頭節(jié)點(diǎn)，則在簇頭節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域半徑中的普通節(jié)點(diǎn)就可以成為該簇中的成員。根據(jù)上面闡述的方法，能夠?qū)o(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的全部簇頭之間的距離控制在合理范圍中，從而保證了簇頭節(jié)點(diǎn)的均勻分布。

3.3 單跳多跳結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方法

利用傳統(tǒng)的LEACH算法構(gòu)建通信過(guò)程，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，通常是利用單跳傳輸方法，將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息直接發(fā)送到基站。利用下述公式能夠計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)需要消耗的能量與數(shù)據(jù)傳輸距離之間的關(guān)系：

            （7）

其中，是單位數(shù)據(jù)傳輸指定距離時(shí)需要消耗的能量，是傳感器節(jié)點(diǎn)與基站之間的長(zhǎng)度，是數(shù)據(jù)傳輸需要消耗的能量。

在多跳數(shù)據(jù)傳輸方法中，節(jié)點(diǎn)能耗與數(shù)據(jù)傳輸距離之間的關(guān)系能夠用下述公式進(jìn)行描述：

 （8）

其中，是基站與離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中，隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)到基站的距離能夠用進(jìn)行描述，是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要消耗的能量。利用單跳傳輸方法和多跳傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸需要消耗的能量能夠用下圖進(jìn)行描述：

圖3  單跳和多跳數(shù)據(jù)傳輸方式能耗趨勢(shì)圖

根據(jù)上圖能夠得知，當(dāng)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，利用多跳傳輸方法需要耗費(fèi)的能量低于單跳傳輸方法。因?yàn)榛镜目臻g位置是不會(huì)發(fā)生改變的，通常情況下都在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域之外。因此，在優(yōu)化方法中，信息從簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)交镜倪^(guò)程中，通常情況下使用多跳傳輸方法進(jìn)行信息傳遞。而在信息從普通節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)酱仡^節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，利用單跳傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)采集信息進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中，需要將簇頭節(jié)點(diǎn)的空間位置、剩余能量、ID等信息發(fā)送到鄰近的簇頭節(jié)點(diǎn)，并獲取鄰近簇頭節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，從而判斷該鄰近節(jié)點(diǎn)是否能成為自己的前向簇頭節(jié)點(diǎn)。其方法如下所述：

假設(shè)基站到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離大于基站到鄰近簇頭節(jié)點(diǎn)的距離，則表示鄰近簇頭節(jié)點(diǎn)能夠成為前向簇頭，需要將臨近簇頭節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，否則，刪除鄰近簇頭節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。將所有的前向簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)中剩余的能量進(jìn)行排序，選取能量較大的簇頭節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。其過(guò)程能夠用下圖進(jìn)行描述：

圖4  簇頭節(jié)點(diǎn)選取示意圖

根據(jù)上面闡述的方法，能夠?qū)鹘y(tǒng)的算法構(gòu)建方法進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議構(gòu)建方法的優(yōu)化處理，最終提高了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的通信性能.

4 實(shí)驗(yàn)仿真

4.1 平均能耗比較

為了驗(yàn)證本文提出方法的優(yōu)越性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。在NS-2環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域是，該區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量是300個(gè)。分別利用傳統(tǒng)的LEACH算法和本文優(yōu)化算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，獲取的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)能量消耗與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系能夠用下圖進(jìn)行描述：

圖5 平均能耗比較

    根據(jù)上圖能夠得知，隨著無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不斷增加，利用兩種不同的算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，獲取的通信時(shí)的能量消耗都在不斷增加。但是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過(guò)150個(gè)時(shí)，利用本文優(yōu)化算法進(jìn)行路由協(xié)議搭建，獲取的通信時(shí)的能量消耗呈明顯的下降趨勢(shì)，而利用傳統(tǒng)的算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，通信時(shí)的能量消耗仍然呈上升趨勢(shì)。因此，在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的情況下，利用兩種不同算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，通信時(shí)需要消耗的能量基本一致。但是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過(guò)150個(gè)時(shí)，利用本文算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，在能量消耗方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.2 存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較

在根據(jù)不同算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目能夠用下圖進(jìn)行描述：

圖6 存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較

根據(jù)上圖能夠得知，在120輪時(shí)，利用傳統(tǒng)算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目是65個(gè)，而利用本文算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目是82個(gè)，充分展示了本文算法在存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目方面的優(yōu)越性。

4.3 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較

在根據(jù)不同算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間能夠用下圖進(jìn)行描述：

圖7  網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較

根據(jù)上圖能夠得知，利用本文算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，能夠有效延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。綜上所述，利用本文優(yōu)化算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，相對(duì)于傳統(tǒng)的算法，得到的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)需要消耗的能量更少，在同一時(shí)刻存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目更多，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間更長(zhǎng)，極大地提高了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的性能。

5  結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議構(gòu)建問(wèn)題已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中需要研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。提出了一種改進(jìn)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化算法。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行對(duì)比，選取合理的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，并對(duì)這些簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均勻分布。將多跳傳輸方法和單跳傳輸方法結(jié)合，避免傳統(tǒng)協(xié)議過(guò)于單一的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)通信的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用改進(jìn)后的算法進(jìn)行路由協(xié)議構(gòu)建，能夠平衡每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗，從而有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，提高無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的通信效率。

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