NS-2環(huán)境下無線傳感網絡通信優(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

隨著計算機處理技術、通信技術和傳感器技術的不斷發(fā)展，無線傳感網絡已經深入到軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、災害監(jiān)測、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]。在無線傳感網絡應用過程中，需要利用隨機分布的傳感器對目標對象進行數據采集，將采集的數據發(fā)送到控制端，從而為相關領域的決策提供依據[2]。因此 ，無線傳感網絡路由協議構建方法已經成為無線傳感網絡需要研究的核心問題，受到了越來越多學者的關注[3]?，F階段，通常使用的無線傳感網絡路由協議構建方法包括基于平面算法的無線傳感網絡路由協議構建方法、基于層次模型的無線傳感網絡路由協議構建方法和基于LEACH算法的無線傳感網絡路由協議構建方法[4]。由于無線傳感網絡路由協議構建方法在不同領域中都擁有極其廣闊的發(fā)展前景，對人類的發(fā)展產生了十分重要的影響，因此，成為大家研究的核心問題[5]。  

在無線傳感網絡通信過程中，通常情況下需要計算節(jié)點屬性之間的關聯性，根據能量和路徑最優(yōu)化關系建立路由協議,進而完成復雜的通信過程[6]。傳統(tǒng)的無線傳感網絡中的節(jié)點選擇算法都以能量和路徑最優(yōu)化關系為基礎。通信過程中沒有考慮節(jié)點中的離群特征點問題，通信協議僅僅依靠節(jié)點屬性的關聯性選擇節(jié)點，一旦網絡中產生大量的離群特征點，則這些離群節(jié)點數據屬性偏離原始特征，將造成空間失連，導致協議通信效率變差[7~8]。

針對上述傳統(tǒng)算法的缺陷，提出了一種LEACH優(yōu)化無線傳感網絡通信優(yōu)化算法。通過對節(jié)點的剩余能量進行對比，選取合理的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，并對這些簇頭節(jié)點進行均勻分布。將多跳傳輸方法和單跳傳輸方法結合，避免傳統(tǒng)協議過于單一的缺陷，從而實現無線傳感網絡通信過程的優(yōu)化

2 LEACH路由協議環(huán)境下的無線傳感網絡通信原理

無線傳感網絡是以節(jié)點間互相通信為基礎完成的,過程如下:設置無線傳感網絡中傳感器節(jié)點的數量是個，這些節(jié)點都是均勻分布在無線傳感網絡覆蓋區(qū)域中的，該覆蓋區(qū)域是邊長為的正方形。該網絡僅包含一個基站，該基站的空間位置在無線傳感網絡覆蓋區(qū)域外的固定位置。在無線傳感網絡中，節(jié)點的空間位置是保持不變的。所有節(jié)點的能量基本都是一致的，但是節(jié)點的通信覆蓋半徑是可以根據實際情況進行調整的。在無線傳感網絡中，通信時需要消耗的能量能夠用下述公式進行描述：

 （1）

   在無線傳感網絡中，傳感節(jié)點會隨機生成一個數值，假設該數值小于閾值，則判斷該節(jié)點是簇頭節(jié)點,可以進行通信 。利用下述公式能夠計算簇頭節(jié)點閾值：

(2)

式中，，是全部傳感節(jié)點的數量，是簇頭節(jié)點在無線傳感網絡中所占的比例，是網絡中簇的數目。在無線傳感網絡中，簇頭節(jié)點的分布情況能夠用下圖進行描述：

圖1 簇頭節(jié)點分布圖

傳統(tǒng)LEACH算法是利用單跳傳輸方法進行數據傳輸的，傳輸的結構能夠用下圖進行描述：

圖2 單跳傳輸方法結構圖

在無線傳感網絡中，根據節(jié)點屬性之間的關聯性，能夠完成通信。但是,傳統(tǒng)算法中沒有考慮離群節(jié)點問題,假設無線傳感網絡中出現大量的離群特征點，將造成無線傳感網絡中的空間連通性降低，從而降低了該網絡的通信效率。根據公式（1）能夠得知，假設離群特征點的數量增加，將造成無線傳感網絡中的能量消耗增大。根據公式（2）能夠得知，假設無線傳感網絡中的能量消耗增大，將造成簇頭節(jié)點閾值減小，從而減少了閾值節(jié)點的數目，最終降低了無線傳感網絡中傳感節(jié)點的連通程度。

3 無線傳感網絡通信優(yōu)化算法分析

利用傳統(tǒng)算法進行無線傳感網絡路由協議構建，無法避免由于離群特征點數目增加造成的節(jié)點連通性降低的缺陷，從而降低了無線傳感網絡的通信效率。為此，提出了一種基于優(yōu)化算法的無線傳感網絡通信算法。

3.1簇頭節(jié)點的選取

利用傳統(tǒng)的LEACH算法進行路由協議構建時，全部節(jié)點所擁有的能量是相同的，所以，簇頭節(jié)點是在覆蓋區(qū)域中隨機選取的，每個節(jié)點成為簇頭節(jié)點的概率相等。但是，在經過幾次通信后，節(jié)點擁有的能量會存在較大程度的區(qū)別，假設此時簇頭節(jié)點的選取仍然是隨機的，則容易存在簇頭節(jié)點能量小于普通節(jié)點的情況。因此，需要對簇頭節(jié)點選取方法進行優(yōu)化處理。在優(yōu)化處理過程中，節(jié)點擁有的能量成為簇頭選取的一個重要衡量標準。經過上述優(yōu)化處理，能夠提高能量較高的節(jié)點成為簇頭節(jié)點的可能性，從而改善無線傳感網絡的魯棒性。

設置是當前通信過程中節(jié)點中剩余的能量，是節(jié)點沒有進行通信時的能量，是節(jié)點剩余能量的等級，則能夠得到下述結果：

                      （3）

利用下述公式能夠計算簇頭節(jié)點選取閾值：

（4）

根據上述方法進行簇頭節(jié)點選取，能夠減少能量較低的節(jié)點成為簇頭節(jié)點的可能性，避免由于簇頭節(jié)點能量過低導致無線傳感網絡連通性降低的問題。

3.2 簇頭節(jié)點的分布

為了提高無線傳感網絡的可擴展性，需要將網絡中的節(jié)點均勻分布在覆蓋區(qū)域中，并且對網絡覆蓋區(qū)域進行區(qū)域化處理，使簇頭節(jié)點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)點分布過于集中的問題。

設置無線傳感網絡的覆蓋區(qū)域面積是，簇頭節(jié)點在所有節(jié)點中所占的比例是。假設整個目標區(qū)域都被覆蓋，則需要簇頭節(jié)點的覆蓋半徑符合下述公式的要求：

                      （5）

    設置無線傳感網絡中的簇頭節(jié)點之間的距離是，則該距離的取值應該小于簇頭覆蓋區(qū)域直徑。為了使簇頭節(jié)點均勻的分布在無線傳感網絡覆蓋區(qū)域中，簇頭節(jié)點之間的距離需要符合下述公式的要求：

   （6）

設置是任意簇頭節(jié)點，則在簇頭節(jié)點覆蓋區(qū)域半徑中的普通節(jié)點就可以成為該簇中的成員。根據上面闡述的方法，能夠將無線傳感網絡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)點的均勻分布。

3.3 單跳多跳結合的數據傳輸方法

利用傳統(tǒng)的LEACH算法構建通信過程，進行無線傳感網絡的數據傳輸，通常是利用單跳傳輸方法，將每個傳感器節(jié)點采集的信息直接發(fā)送到基站。利用下述公式能夠計算傳感器節(jié)點需要消耗的能量與數據傳輸距離之間的關系：

            （7）

其中，是單位數據傳輸指定距離時需要消耗的能量，是傳感器節(jié)點與基站之間的長度，是數據傳輸需要消耗的能量。

在多跳數據傳輸方法中，節(jié)點能耗與數據傳輸距離之間的關系能夠用下述公式進行描述：

 （8）

其中，是基站與離基站最遠的節(jié)點之間的長度，在無線傳感網絡覆蓋區(qū)域中，隨機選取一個節(jié)點，該節(jié)點到基站的距離能夠用進行描述，是節(jié)點進行數據傳輸時需要消耗的能量。利用單跳傳輸方法和多跳傳輸方法進行數據傳輸需要消耗的能量能夠用下圖進行描述：

圖3  單跳和多跳數據傳輸方式能耗趨勢圖

根據上圖能夠得知，當無線傳感網絡中的信息傳輸距離較遠時，利用多跳傳輸方法需要耗費的能量低于單跳傳輸方法。因為基站的空間位置是不會發(fā)生改變的，通常情況下都在無線傳感網絡覆蓋區(qū)域之外。因此，在優(yōu)化方法中，信息從簇頭節(jié)點傳輸到基站的過程中，通常情況下使用多跳傳輸方法進行信息傳遞。而在信息從普通節(jié)點傳輸到簇頭節(jié)點的過程中，利用單跳傳輸方法進行數據傳遞。在對無線傳感網絡傳感節(jié)點采集信息進行傳輸的過程中，需要將簇頭節(jié)點的空間位置、剩余能量、ID等信息發(fā)送到鄰近的簇頭節(jié)點，并獲取鄰近簇頭節(jié)點的相關信息，從而判斷該鄰近節(jié)點是否能成為自己的前向簇頭節(jié)點。其方法如下所述：

假設基站到簇頭節(jié)點的距離大于基站到鄰近簇頭節(jié)點的距離，則表示鄰近簇頭節(jié)點能夠成為前向簇頭，需要將臨近簇頭節(jié)點的相關數據進行存儲，否則，刪除鄰近簇頭節(jié)點的相關數據。將所有的前向簇頭節(jié)點根據節(jié)點中剩余的能量進行排序，選取能量較大的簇頭節(jié)點作為下一個簇頭節(jié)點。其過程能夠用下圖進行描述：

圖4  簇頭節(jié)點選取示意圖

根據上面闡述的方法，能夠對傳統(tǒng)的算法構建方法進行改進，從而實現路由協議構建方法的優(yōu)化處理，最終提高了無線傳感網絡的通信性能.

4 實驗仿真

4.1 平均能耗比較

為了驗證本文提出方法的優(yōu)越性，需要進行一次實驗。在NS-2環(huán)境下進行實驗仿真。在實驗過程中，設置無線傳感網絡覆蓋區(qū)域是，該區(qū)域中的節(jié)點數量是300個。分別利用傳統(tǒng)的LEACH算法和本文優(yōu)化算法進行路由協議構建，獲取的無線傳感網絡能量消耗與節(jié)點數目的關系能夠用下圖進行描述：

圖5 平均能耗比較

    根據上圖能夠得知，隨著無線傳感網絡中節(jié)點數目的不斷增加，利用兩種不同的算法進行路由協議構建，獲取的通信時的能量消耗都在不斷增加。但是，當節(jié)點數目超過150個時，利用本文優(yōu)化算法進行路由協議搭建，獲取的通信時的能量消耗呈明顯的下降趨勢，而利用傳統(tǒng)的算法進行路由協議構建，通信時的能量消耗仍然呈上升趨勢。因此，在無線傳感網絡中節(jié)點數目較少的情況下，利用兩種不同算法進行路由協議構建，通信時需要消耗的能量基本一致。但是，當節(jié)點數目超過150個時，利用本文算法進行路由協議構建，在能量消耗方面具有明顯的優(yōu)勢。

4.2 存活節(jié)點數目比較

在根據不同算法進行路由協議構建時，無線傳感網絡的存活節(jié)點數目能夠用下圖進行描述：

圖6 存活節(jié)點數目比較

根據上圖能夠得知，在120輪時，利用傳統(tǒng)算法進行路由協議構建，無線傳感網絡中存活節(jié)點數目是65個，而利用本文算法進行路由協議構建，存活節(jié)點數目是82個，充分展示了本文算法在存活節(jié)點數目方面的優(yōu)越性。

4.3 網絡生存時間比較

在根據不同算法進行路由協議構建時，無線傳感網絡的網絡生存時間能夠用下圖進行描述：

圖7  網絡生存時間比較

根據上圖能夠得知，利用本文算法進行路由協議構建，能夠有效延長無線傳感網絡的生存時間。綜上所述，利用本文優(yōu)化算法進行路由協議構建，相對于傳統(tǒng)的算法，得到的無線傳感網絡需要消耗的能量更少，在同一時刻存活節(jié)點數目更多，網絡生存時間更長，極大地提高了無線傳感網絡的性能。

5  結束語

在無線傳感網絡中，路由協議構建問題已經成為無線傳感網絡領域中需要研究的一個熱點問題。提出了一種改進的無線傳感網絡通信優(yōu)化算法。通過對節(jié)點的剩余能量進行對比，選取合理的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，并對這些簇頭節(jié)點進行均勻分布。將多跳傳輸方法和單跳傳輸方法結合，避免傳統(tǒng)協議過于單一的缺陷，從而實現通信的優(yōu)化。實驗結果表明，利用改進后的算法進行路由協議構建，能夠平衡每個簇頭節(jié)點之間的能量消耗，從而有效延長網絡生存時間，提高無線傳感網絡的通信效率。

參考文獻：

[1] 趙富強;孫學梅.基于簇的動態(tài)源路由協議研究[J]計算機仿真,2006,07:119-121

[2] S Banerjee, S Khuller. A clustering scheme for hierarchical control in multi-hop wireless networks[C] . In: Bauer F, Cavendish D, eds. Proc. of the INFOCOM 2001, 2, New York, IEEE Press,2001.1028-1037.

[3] Heinzelman W， Chandrakasan A， Balakrishnan H. An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1(4):660-670.

[4] Younis O， Fahmy S.Heed: a hybrid， energy-efficient， distributed clustering approach for ad hoc sensor networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing，2004，3(4):366-379.

[5] Chen B, Jamieson K, Balakrishnan H, Morris R.Span: An Energy-efficient Coordination Algorithm or Topology Maintenance in Ad hoc Wireless Networks [J].ACM Wireless Networks Journal, 2002, 8(5):481-494.

[6] 宋淑彩. 面向Web的數據挖掘技術在網站優(yōu)化中的個性化推薦方法的研究與應用[J].科技通報,2012,2(28):118-119.

[7] F. Aides, W.Su, Y Sankarasub, E.Cayirci. Wireless sensor networks: a survey[J]. Computer Networks, 2002, 38(12):393-422.

[8] Pottie GJ, Kaiser WJ. Wireless Integrated Network Sensors[J].Commun.ACM, 2000, 43(5): 51-58.