基于WSN带状网络路由协议研究

摘要：无线传感器网络（WSN）的出现使得很多复杂环境的监测得以实现，而路由协议是WSN中的一个重要研究方向。本文主要研究在带状网络中WSN的拓扑结构，并以LEACH协议为基础，针对其局限性，提出了一种改进的路由协议L-P。通过仿真表明改进后的协议的确在可靠性和延长网络生命周期方面比LEACH协议优越，更适应在带状网络中应用。

关键词：无线传感器网络（WSN）；LEACH协议；拓扑结构；带状网络

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 14-0052-02

一、概述

路由协议一直以来是无线传感器网络中的一个重要研究方向。无线传感器网络的路由协议将数据从源节点发送到基站或者汇聚节点，其主要目标是在满足应用需求的情况下尽可能地降低网络的能耗，通过有效地能量管理技术避免网络连通性的恶化，提高网络的整体性能。但是由于WSN中节点的处理能力和能量有限的局限性，传统的路由协议无法满足它的要求，很大程度的影响了路由协议的研究，因此本文的目标是针对带状网络研究一种改进的路由协议L-P。该协议以LEACH为基础进行改进，更适应带状网络应用。

二、路由协议分析

LEACH协议通过随机选举簇头避免了簇头过分消耗能量；通过簇头的数据融合有效减少了通信量，从而提高了网络生存时间。但该协议采用单跳通信，扩展性差，虽然传输时延较小，但要求节点具有较大通信功率，不适合大规模应用；即使在小规模网络中，离汇聚节点较远的节点由于采用大功率通信会消耗大量能量，导致生存时间较短；而且频繁的动态拓扑结构变化和大量额外的广播也会耗费很多能量。

（三）LEACH协议的不足

LEACH协议虽然是分簇类协议有着不可替代的优势，但仍有一些地方有待商榷，直接应用于长带状状网络还是有很多不适应的地方，仍需要根据具体的应用环境进行相应的改进。

（1）簇头的选择只遵循等概率，而没有考虑节点的剩余能量，如果一个能量较低的节点被选作簇头，就很容易因大工作量耗尽能量而失效，因而缩短了网络的生命周期。

（2）簇头是选取随机的，无法保证簇头节点的合理分布，如果某区域附近没有簇头节点时，该区域内的节点就要选择加入距离较远的簇，这样就增加簇头和簇内节点的通信距离，使得能量消耗增大。

（3）所有的簇头都是直接与汇聚节点通信，那么离汇聚节点越远的簇头能量就消耗得越快，生存时间就越短，整个网络也因此受到影响。工作面环境复杂，通信距离经过实测也就30m左右，每个节点都直接与汇聚节点通信是不可能的。如果只是简单的其之间采用多跳路由，那么离汇聚节点较近的节点因为多轮多次转发其他簇头的数据，能量消耗的更多。而且网络规模越大，节点数目越多，死亡越快，从而影响网络的生命周期。同时，由于数据向一个方向传输，会形成一头大一头小的“棒槌”式结构，这必然造成能量的不均衡分布。

（4）传感器节点在加入簇时仅考虑通信能耗最小，不考虑簇的负载程度，这会导致各个簇中的节点数严重不均衡，不利于簇首能量的均衡消耗和网络生命周期的延长。

四、改进的路由协议研究

（一）网络拓扑结构

（二）算法设计

L-P协议也是基于分簇的路由协议，但不同于LEACH，由于网络呈长带状分布，若采用单跳路由形式，距离汇聚节点远的节点能量很容易耗尽。故该协议采用簇间单跳的动态方式传递信息。簇头一旦确定，簇便随机建立，每簇的簇头就成为中继节点。这样就由簇头节点组成了多条能够遍历整个区域的簇头链，但路径质量和通信代价良莠不齐，而不同的无线传感器网络对于传输路径的能耗或可靠性的要求各有高低。因此通过对每条候选路径的能耗或丢包率的比较，最终确定一条符合要求的簇头链。如果数据融合量很小，数据流就会呈“棒槌”状，越靠近汇聚节点数据量越大，造成的“热区”问题。故本文利用非均匀分簇的思想，越靠近汇聚节点簇的规模越小，来解决“热区”问题，平衡整个网络的负载，提高网络的生存时间达到增加网络寿命的目的。

五、仿真与分析

本文通过对LEACH协议和改进的L-P协议进行了仿真和比较。主要从丢包率和生存节点个数这两个方面分析，说明该进的协议的优势。

六、结论

丢包率和存活节点数是衡量无线传感器网络可靠性和网络生命周期的重要指标。L-P协议在这两方面都要优越于LEACH协议，改进后的簇首选择机制，非均匀成簇方式和簇间通信机制的确提高了网络和协议可靠性，延长了网络生命周期。由此可见，改进后的L-P协议更适应带状网络的无线通信应用。

参考文献：

[1]任丰源,黄海宁,林闯,无线传感器网络[J].软件学报,2003,14(7):1278-1291.

[2]李成法,陈贵海,叶懋,吴杰.一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].软件学报,2007,30(1):27-36．

[3]刘园莉,李腊元,卢迪.节能的无线传感器网络分簇路由协议的研究[J].传感器技术学报,2010,23(12):24-129．