LEACH路由协议技术的分析及改进.pdf

2 0 0 9年第 9期 计算机与脱代化 J I S U A N J I Y U X I A N D A I H U A 总第 1 6 9期 文章编号：1 0 0 6-2 4 7 5(2 0 0 9)0 9-0 0 8 1-03 L E A C H路 由协议技术 的分析及改进 单晓娜，李力(南昌大学信息工程学院，江西 南昌3 3 0 0 3 1)摘要：无线传感 器网络作为计算、通信和传感 器三项技术相结合 的产物，是一 种全新 的信 息获取和处理技 术。本文在 简 要介 绍无线传感 器网络的基础上，分析 了 L E A C H分级路 由协议存 在的一些 问题 以及如何解决这些问题。关键 词：无线传感 器网络；网络层；层次路 由协议；L A C H S协议 中图分类号：T P 3 9 3 文 献标识码：A d o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6-2 4 7 5 2 0 0 9 0 9 0 2 3 An a l y s i s a n d I mpr o v e me n t o f LEACH Ro ut i n g Pr o t o c o l Te c hn o l o g y S HAN Xi a o n a，LI Li (S c h o o l o f I n f o r ma t i o n E n g i n e e ri n g，N a n c h a n g U n i v e r s i t y，N a n e h a n g 3 3 0 0 3 1，C h i n a)Ab s t r a c t：A s a r e s u l t o f c o mb i n a t i o n o f mi c r o s e n s o r t e c h n o l o g y，l o w p o we r c o mp u t i n g a n d wi r e l e s s n e t w o r k i n g，wirel e s s s e n s o r n e t w o r k i s a n o v e l t e c h n o l o gy a b o u t a c q u i ri n g an d p r o c e s s i n g i n f o rm a t i o n T h i s p a p e r b ri e fl y i n t r o d u c e s t h e a t e c t u r e o f wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k，a n a l y Z S s o me p r o b l e ms o f t h e L EAC H mu ti n g p r o t o c o l and h o w t o s o l v e t h e s e p r o b l e ms Ke y wo r d s：wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k；n e t w o r k l a y e r；g r a d i n g r o u t i n g p rot o c o l；L AC HS p r o t o c o l 0引 言 1 无线传感器网络简介 无线传感器网络是由一组传感器节点以自组织 的方式构成的无线 网络，其 目的是协作 的感知、采集 和处理网络覆盖区域中感知对象 的信息，并将信息发 送给观察者。路由协议是无线传感器网络设计 的重 要环节，目前，针对其研究 的主要 内容是如何 降低系 统能耗。L E A C H是一种典 型的分簇协议，通过改变 网络 结构可以达到节约能耗 的目的。但是，它预先选定簇 头节点，并且簇头直到网络生命周期结束都是固定不 变的；簇头同时还承担数据融合、数据发送 的“双重”任务，因此，能量消耗很快。网络 中，一旦簇头失效，簇内数据将全部丢失，整个网络面临瘫痪。综合考虑 以上这些 因素，本 文设 计 了一 种新 的协议 L A C HS。它根据网络中节点的剩余能量，动态地选择集 中式或 分布式分簇算法，可以有效延长网络生命周期；同时 考虑网络拓扑结构的变化，从而保证 网络的稳定性。无线传感器 网络是由许许多多个不同的功能或 不同的无线传感器节点组成 的。每个传 感器节点 由 数据采集模块(传感器、A D转换器)、数据处理和控 制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供 电模块(电池、D C C D能量转换器)等组成。网络节点由电池供 电，节点能量有 限，并且节点 的数量众多，电池的容量一般不是很大。其特殊的应 用领域决定 了使用过程中，不能给电池充电或者更换 电池。一旦电池能量用完，这个 节点就失去 了作用(死亡)。因此在传感器 网络设计过程 中，任何技术 和协议 的使用都要以节能为前提。2 无线传感器的 网络层 以及路 由协议 网络层负责路由发现与维护，在无线传感器网络 中占据着重要的地位，可以说路由协议的选择是无限 传感器网络设计成功与否的关键。一个无线传感器 收稿 日期：2 0 0 8-0 9-1 0 作者简介：单晓娜(1 9 8 2 )，女，山东日照人，南昌大学信息工程学院硕士研究生，研究方 向：计算机网络；李力(1 9 5 8 )，男，江 西上高人，副教授，研究方向：计算机网络应用与安全，传感器网络。8 2 计 算机与 现代化 2 0 0 9年第 9期 网络设计的成功与否，路由协议非常重要。网络层的主要涉及的问题是：路由协议和如何改 进路 由协议，使网络具有更好的可伸缩性和更强的适 应网络拓扑的能力。网络层协议负责路 由发现和维 护，是无线传感器网络的重要因素。2 1 路 由协 议 WS N路由协议负责在 s i n k节点和其余的节点间可 靠地传输数据，根据节点在路 由过程中是否有层次结 构，作用是否有差异，可以分为平面路 由协议和层次路 由协议。平面路由简单，健壮性好，但是建立和维护的 开销大，数据传输跳数多，适合小规模的网络；层次路由 扩展性好，适合大规模的网路，但簇的维护开销大，且簇 头是路由的关键节点，其失效将导致路由失效。2 2层次路由协议 层次路由协议主要有低能量 自适应群(L E A C H，L o w E n e r g y A d a p t i v e C l u s t e r i n g Hi e r a r c h y)、门限敏感 的传感 器网络节能协议(T E E N，T h r e s h o l d s e n s i t i v e E n e r gy E ffic i e n t s e n s o r N e t w o r k p r o t o c o 1)。在这 里主 要讲述 L E A C H的特点及缺点和改进的方案。L E A C H是一种基于聚类 的路 由协议，这是第一 个提出数据聚合的层次路 由协议。为平衡网络各个 节点 的 能 耗，簇 头 是 周 期 性 按 轮 随 机 选 举 的。L E A C H协议定 义 了“轮”的概念，一 轮分 为两个 阶 段：即簇形成阶段和稳定工作阶段，两个阶段所持续 的时间的总和称为一轮。在簇形成阶段，随机选择一 个节点作为簇头，随机性确保簇头与基站之间数据传 输的高能耗成本均匀地分摊到所有 的传感器节点。具体的形成方法是：各节点产生一个 0，1 之问的随 机数，如果该数小于 T(n)，则该节点是簇头。T(n)的计算公式如下：T(n)=P (1-P r m o a(1 p)(P为节点中成为簇头的 的百分数，r 是当前的轮数)簇形成后进入稳定工作阶段，簇头开始接收簇内 各个节点采集的数据，然后采用数据融合技术进行处 理，将整合后的数据传输给 s i n k。优点：随机选择簇头，平均分担路由业务，减小了能 耗。提高了网络的生存时间。数据聚合能有效的减少通信量。缺点：扩展性差，不适合大范围的应用。集群分组方式带来了额外开销以及覆盖问题。仅适合于每个节点在单位时间内需要发送 的 数据量基本相同的情况，而不适合突发数据通信。簇头 同时还承担数据 融合、数据 发送 的“双 重”任务，因此，能量消耗很快。频繁簇头选举引发的通信消耗了能量。总之，网络中一旦簇头失效，簇 内所有 的数据将 丢失，整个 网络面临瘫痪。综合上述因素，可以设计 一种新的 L A C H S(Low A d a p t i v e C l u s t e r H e a d s)，它根 据网络中节点的剩余能量，动态地选择集中式或者分 布式分簇算法，可 以有效地延 长网络生命周期；同时 考虑网络拓扑结构的变化，从而保证网络的稳定性。2 3 L A C HS协议 的设计 设计 L A C H S数据传输过程按照时间分为不同的“回合”，每个“回合”包括簇建立阶段和数据传输阶 段。考虑到分簇算法执行 的复杂性，L A C H S将平 面 网络划分为二层结构。其 中，底层为簇成员，第二层 为它们对应 的簇点。新“回合”开始后，先执行分簇 算法，之后等待数据传输。2 3 1 簇建 立阶段 根据 网络中节点 的剩余能量，L A C H S设计 了两 种算法。初级阶段，网络内的节点能量充足，采用集 中式分簇算法；后期，节点的能量逐渐消耗，采用分布 式分簇算法。(1)集 中式分簇算法。考虑到 s i n k较 其它的节点能量充足，在 s i n k上 运行模拟退火算法来选取下一“回合”的 m个簇头节 点。簇头必须保证在此“回合”中整个网络的能量最 低，即簇成员 向簇头传输数据所需要能量的总和最 小；选取簇头的条件是它与簇成员的距离最小。(2)分布式分簇算法。当网络 内存 节点 的个 数 占原节点 总数 的 3 0 时，采用分布式分簇算法。即 s i n k节点不参与簇 的 划分，而是网络 中的节点通过 比较权值来选择簇头，权值的计算如下：W e i g h t=e n e r g yr e m a i n (h e a d e r _ t i m e s+1)其中 h e a d e r t i me s 表示在以前“回合”中担任簇 头的次数，e n e r gy r e m a i n表示剩余能量。2 3 2数据传输阶段 首先，簇成员将采集的数据发送给它们对应的簇 头(在第二层 中)；然后，簇头将接收到 的数据经融合 处理后经过一跳路由传输到 s i n k。L E A C H协议可有 效地延长网络的生命周期，特别在网络节点分布不均 匀，疏密程度差别较大的情况下性能更加优越。2 0 0 9年 第 9期 单 晓娜 等：L E A C H路 由协议技 术的分析及改进 8 3 3展 望 人们采用各种策略来设计路 由协议，其 中好的路 由协议应该具有以下特点：高效利用 能量几乎是设计 的第一策略；针对节点易失效 的特点，采用多径路 由 机制。通过对当前 的各种路 由协议进行分析与总结，可以看出将来 WS N s 路 由协议研究的某些策略与发 展趋势：(1)减少通信量以节约能量。由于 WS N s中数据 通信最为耗 能，因此应在协议 中尽量 减少数 据通信 量。例如，可在数据查询或者数据上报 中采用某种过 滤机制，抑制节点上传不必要 的数据；采用数据 聚合 机制，在数据传输到 s i n k点之前就完成可能 的数据 计算。(2)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)路由协议应具有容错性。由于 WS N s 节点容 易发生故障，因此应尽量利用节点易获得的网络信息 计算路 由，以确保在路 由出现故 障时能够尽 快得到 恢复。4 结束语 本文根据 L A E C H协议 的不足，构想 出一种基于 分簇的无线传感器网络路 由协议 L A C H S。结合节点 的剩余能量，L A C H S动态地选取集 中式或 分布式分 簇算法，能有效地延长生命周期；同时，还保证了拓扑 结构的稳定性。对于无线传感器网络，大多数的路 由 协议都没有考虑安全的需求，都易于遭到攻击，从而(上接 第 8 0页)3 庾邦基于 A S P N E T 2 0的三层架构应用程序的设计 与实现 J 大众科技，2 0 0 8(9)：5 9-6 0 4 姬春英，张学智，张峰，等基于 A S P N E T应用程序的 性能优化 J 计算机时代，2 0 0 5(1 2)5 史金昌浅析基于 A S P N E T的 We b网络应用程序的安 全开发 J 科技创新导报，2 0 0 8(2 3)：3 7 3 8 6 伍孝金，郑江波基于 A S P的招生就业网站信息管理系统 的设计 J 计算机工程与设计，2 o o 6(6)：2 0 6 6-2 0 6 9 7 王能斌 数据库系统原理 M 北京：电子工业出版社，2 O O O 使整个网络瘫痪。如何建立节能、高效、健壮、安全的 路 由协议将是无线传感器 网络研究中的重点课题。参考文献：1 任丰原，黄海宁，林闯 无线传感器网络 J 软件学报，2 0 0 3，1 4(7)：t 2 8 2 1 2 9 1 2 王镓，等 一种基于分簇的无线传感器网络路由协议的 设计 J 微纳电子技术，2 0 0 7，4 4(7)：4 9 0-4 9 3 3 吴臻，金心字 无线传感器网络的 L E A C H算法的改进 J 传感技术学报，2 0 0 6，1 9(1)：3 4 3 6 4 韩立锋 无线传感器网络技术 J 电信快报，2 0 0 5(4)：1 5 1 7 5 陈丹，郑增威，李际军 无线传感器网络研究综述 J 计算机测量与控制，2 0 0 4，1 2(8)：7 0 1-7 0 4 6 范新运，王福豹，任丰原 无线传感器网络的路 由协议 J 计算机测量与控制，2 0 0 5，1 3(9)：1 0 1 0-1 0 1 3 7 郑增威，吴朝晖 若干无线传感器网络路由协议比较研 究 J 计算机工程与设计，2 0 0 3，2 4(9)：2 8 3 1 8 莫霄雁 无线传感器网络分簇式路由协议的研究和设计 D 杭州：浙江大学硕士学位论文，2 0 0 6 9 王春 无线传感器网络路由协议的设计与仿真 D 成 都：电子科技大学硕士学位论文，2 0 0 4 1 0 芦东昕，徐文龙，王利存 无线传感器网络 J 工业控制 计算机，2 0 0 5，1 8(4)：2 7-2 8，6 4 1 1 刘伟，等 一种快速可靠的无线传感器网络路由 J 电 子测量技术，2 0 0 7，3 0(7)：1 8 5 1 8 9 1 2 张婕 无线传感器网络 J 中国数据通信，2 0 0 5，7(6)：1 21 1 2 3 1 3 覃伯平，周贤伟，杨军，等 无线传感器网络的安全路由 技术研究 J 传感技术学报，2 0 0 6，1 9(1)：1 6-1 9 1 4 马祖长，孙怡宁，梅涛 无线传感器网络综述 J 通信学 报，2 0 0 4，2 5(4)：1 1 4 1 2 4 8 吴应良，汪闯 一种基于 A S P的动态用户权限管理解决 方案 J 计算机应用研究，2 0 0 5，2 2(2)：1 1 5 1 1 7 9 王建国，郭建波 基于 We b的动态网站管理系统的设计 与实现 J 微机发展，2 0 o 4，2 1(6)：2 7-2 8 1 0 刘运 臣 网站设计与建设 M 北京：清华大学 出版 社，2 0 0 8 1 1 B m d u 简单工厂模式 E B O L h t t p：b a i k e b a i d u c o rn v i e w 1 2 2 7 9 0 8 h t m，2 0 0 9-0 4-1 6 1 2 L a e b A S P N E T新特征 E B O L h t t p：w w w c n b l o g s c o rn L a e b a r c h i v e 2 0 o 6 l 2 5 8 0 4 2 4 h t m1 2 1 3 0 9-0 4 1 6