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一个无线传感器网络能量效率路由方案 摘要: 传感器节点的能量有限，所以在无线传感器网络里能量效率路由是非常重要的。本文我们提出一个路由方案，大大地改进了现有的如LEACH和LEACH-C算法的性能。在这个方案里，并不是随机地选择簇头，而是当能量级小于50%初始能量时就要考虑剩余能量。对于每个节点来说，头节点的结合不只是由信号强度决定，还由头节点的剩余能量决定。当符合了预设的情况，就会发生数据传输。NS-2仿真显示我们提出的方案的网络生存时间分别比LEACH和LEACH-C长37% 和30%。 1．引言 由于最近的小型，低成本的传感器制造技术的进步，无线传感器网络可应用于众多应用。它包含了大量的传感器这些节点的特点，低价格，低功耗，并没有预先部署结构。这里毗邻的传感器节点感应类似的信息，即使某些传感器节点失败或者部分损坏,整个活动的传感器网络是没有严重影响。 如今，这反映了无线传感器网络独特的特点的路由协议，得到了大量的注意。现有的无线传感器网络路由协议可分为平面路由协议、分层路由协议及基于区域路由协议。平面路由协议中的代表是SPIN和Direct diffusion。在平面路由协议里，各个节点的路由技术、几率、角色及功能都是相同的。分层路由协议的代表是LEACH和TEEN，它们是基于聚类方法，使用不同的分层结构。GAF和GEAR是基于区域的路由协议的代表，它们用节点的位置信息来建立路由路径。 在LEACH协议里，头节点的聚集数据被发送到基站。通过随机选择负责把数据传输到基站的头节点，增加网络的生存时间。因为轮流选择头节点，网络里的节点的能量负载分配得比较均匀。然而，LEACH协议在选择头节点时并没有考虑到节点的能量，从而不能保证每个节点的最大生存时间。LEACH-C协议根据网络总剩余能量与每个节点剩余能量的比率来选择头节点。虽然这样可以提升了网络的生存时间，但计算网络总剩余能量的开销不能忽略不计。 本论文我们提出来个能量效率路由方案，大大地改进了LEACH和LEACH-C协议。这个方案有三个机制。首先，当能量级降低到初始能量的50%以下时，把含有最大能量的节点作为头节点。第二，收到广播消息的节点，根据要损耗的能量来选择点节点，而损耗的能量由信息强度及节点到头节点的距离决定的。第三，当节点符合预设条件时，根据TDMA计划表的数据传输就会被允许，否则它们会进入休眠状态以节省能量。提出的机制将延长每个节点的生存时间，最后延长了整个传感器网络系统的生存时间。NS-2仿真显示我们提出的方案的网络生存时间分别比LEACH和LEACH-C长37% 和30%。 文章余下部分组织如下：第二部分回顾LEACH协议，第三部分介绍我们提出的方案，第四部分进行仿真，得出性能评估，最后第五部分总结全文。 2。相关研究 在这部分里我们回顾LEACH分层协议，讨论与无线传感器网络系统的能量消耗有关的因素。 2。1LEACH 在LEACH方案里，头节点从均匀分布的节点里选择。在头节点与成员节点间采用TDMA时间计划表来避免冲突，基站用CDMA计划来辨别头节点。LEACH的操作分为4步：头节点推举、头节点设置、生成计划表、数据传输。 第1步：头节点推举 其中k和r分别是成为头节点和成员节点的几率。LEACH的单位时间是转。C是在前1/k转里作为过头节点的节点集。每个节点用一个从0到1之间的随机数与限值比较，当限值比随机数大时，就推举自己为头节点。每个节点可以在1/k转之后再当头节点，已经推举的头节点把广播一个包含自己信息的消息到附近的节点。 第2步：节点设置 当节点从头节点里收到广播消息，根据收到的信号强度如果把这个节点选择为头节点，就向头节点发出一个加入请求信息。这个消息包含节点的ID和头节点的ID。如图1所示。 第3步：生成计划 每个头节点生成TDMA计划后，把计划发送到集里的各成员节点。 第4步：数据传输 每集里的成员节点在TDMA计划里安排的时隙里把数据传输到头节点。头节点收到成员节点的数据，进行数据融合，然后把数据发送到基站。图2为LEACH协议一转里的操作组成。 LEACH操作的时间单位叫作转。每转由设置阶段和稳态阶段组成，集在设置阶段里形成，TDMA帧由转构成。在稳太阶段里，每个成员节点在它们自己的时隙里传输数据，在其余时隙里进入休眠状态以节约能量。 2。2传感器网络的能量损耗 图3表示无线传感器的传播模型。 数据传输的能耗与距离的平方及要传输的数据包的长度成正比，如式（2）和式（3）所示 一般来说，无线通信会导致传感器节点的大量能量的损耗，因此要尽量减少无线通信。 3。提出的方案 本部分提出一个考虑到节点剩余能量的头节点选择算法。另外介绍基于能耗值的选择头节点加入到成员节点的算法。我们还会介绍一个根据环境状况决定数据传输的方案