一種無線傳感器網絡分簇路由算法研究

　　隨著微電子工藝和無線通信技術的飛速發展，無線傳感器網絡(WSN)的研究越來越受到人們的重視。傳感器網絡(sensor network)是由部署在觀測環境附近的大量微型廉價低功耗傳感器節點組成，通過無線通信方式組成一個多跳的無線網絡系統。由于無線傳感器網絡通常部署在人無法接近或者高危險區域，且數量眾多，這使得隨時更換節點能量變得非常困難。在監測區域內傳感器節點采集的相關信息，通常攜帶一次性電池且能量有限，在經過一段時間的數據采集后，無線傳感器網絡存在嚴重的能量約束問題。所以，傳感器網絡協議的首要設計目標就是要高效地使用傳感器節點的能量，延長網絡的存活時間。將傳感器節點組織成簇的形式，以有效地減少能量消耗，許多能量高效的路由協議都是在簇結構的基礎上進行設計的。

　　LEACH是一個典型的自適分簇協議，網絡中節點通過隨機方式自組織形成簇，在分配給的時隙向簇首發送數據，簇首對收到的數據融合后在每幀結束后直接與基站通信。節點輪流擔任簇首，均衡了網絡的能耗，但簇首在當選時，沒有考慮節點的能量高低，若節點能量很低，仍要擔當簇首時，會加速它死亡。另外，數據直接發送到基站，會使距基站較遠的節點能耗很大，導致局部節點提前死亡，產生監控盲點。

　　由于LEACH算法沒有考慮節點的剩余能量及與基站的距離等因素，很多文獻提出了相應的改進算法，如EBAC胡是在LEACH協議的基礎上，周期性地選用當前輪剩余能量最大的節點擔任下一輪簇頭。LEACH-D是基于LEACH的多跳路由算法。文獻[6]提出了構建能量均衡簇群的方法，LEACH-L綜合考慮了節點的位置和能量的多跳路由算法。

　　本文在LEACH協議的基礎上，以降低簇頭直接和基站遠距離通信的能量損耗為首要目標，同時在二層簇頭選擇時綜合考慮了節點的剩余能量和基站的距離．并且改進了簇頭間的多跳路徑，避免使用低能量的節點。通過Matlab仿真表明，該算法能進一步均衡簇頭節點的能量消耗，延長網絡的生命周期。

　　1 系統模型

　　N個傳感器節點隨機均勻分布在一個正方形區域內，周期性地收集周圍環境信息，并且具有如下性質：

　　(1)所有傳感器節點部署后不再移動，且都有1個惟一的標識ID；

　　(2)基站惟一，且位于離采集區域較遠的一個固定位置；

　　(3)所有節點具有相似的能力(處理／通信)，都具備數據融合功能；

　　(4)若已知對方的發射功率，節點可以根據接收信號的強度計算出發送方離它的近似距離；

　　(5)節點的能量不能補充，節點的發射功率可控。

　　這里采用與文獻[2]相同的無線通信模型：根據距離閾值d0，分別采用自由空間模型和多路衰減模型。發送方發送k比特的數據到距離為d的接收方所消耗的能量為：