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无线微型传感器网络下能量高效的通信协议

摘要

无线分布式微型传感器系统将实现在各种环境下的可靠监控，以满足民用以及军事应用。在本文中，我们调查了能够在这些网络整体能量消耗中有重要影响的通信协议。我们发现直接传输通信协议、最小传输能量、多条路由、以及静态分簇对于传感器网络可能不是最优的，在此基础上我们提出了LEACH（低能量适应性分级分簇），一种基于分簇的协议，该协议利用本地簇头随机轮替以均衡地分配网络中的传感器结点的能量负载。LEACH通过局部协调以保障动态网络的可测量性与健壮性，并将数据融合加入路由协议中以减少必须传递到基站的信息量。仿真实验表明，相比传统路由协议，LEACH可以在能量消耗上达到高达八倍的减少。另外，LEACH允许在传感器结点中均匀地分布能量消耗，在我们仿真的网络中使得有效的系统使用寿命增加了一倍。

综述

在基于MEMS的传感器技术，低能耗的模拟及数字电子学，以及低能耗的无线电通信设计方面的必威体育精装版进展，使得价格相对低廉以及低能耗的无线微型传感器获得了发展。这些传感器并不像那些昂贵的具有相同功能的大型传感器一样可靠与精确，但是它们的尺寸以及造价却允许将成百上千个这样的微型传感器应用在网络中，以实现高质量、容错的传感网络。可靠的环境监测在许多商业的以及军事的应用中都十分重要。比如，对于一个安全系统，声音传感器、震动传感器和视频传感器可以用来组成一个自组织网络来进行入侵检测。微型传感器也可以用来监视机器设备，来进行故障检测和诊断。

微型传感器网络可以包含上百个或上千个传感器结点。人们希望这些结点能尽可能地便宜及能量高效，因而可以依仗庞大的数量来获得高质量的结果。网络协议必须被设计为在保证能量消耗最小化的同时，实现对个别的结点故障具有容错能力。另外，由于有效的无线信道带宽必须在网络中的所有结点间共享，这类网络的路由协议应该允许执行局部合作以减少带宽需求。

最后，被网络中的结点感知到的数据必须被传输到一个控制中心或基站，在这里终端用户可以访问到这些数据。已经有许多为这些微型传感器网络设计的合理的模型。在本文中，我们设想如下场景：

基站是固定的，并且放置在离传感器很远的地方。

网络中的所有结点是同质的，并且具有能量限制。

如此一来，在传感器结点与基站之间的通信便是昂贵的，并且没有“高能量”结点来实现通信。这是麻省理工大学μ-AMPS项目的框架，该项目专注于新型能量优化的解决方案，该方案包含了在系统体系中的所有层次，从物理层和传输协议向上到应用层和微型传感器结点的高效的数字信号处理设计。

对于终端用户来说，传感器网络包含了太多的数据，因此，需要一种自动化的方法来将大量数据组合或聚合成一小组有意义的信息。除了帮助避免信息过载之外，数据聚合——也就是所谓的数据融合，还可以将数个不可靠的数据测量值组合成一个更加精确的信号，这一过程通过强化共同的信号以及减少无关联的背景噪音来实现。在聚合的数据中执行分类及可以通过人工操作来完成，也可以自动去实现。执行数据聚合的方法以及分类的算法都是应用相关的。例如，听觉信号经常使用beamforming算法去整合，以将所有信号包含的相同信息从多个信号减少成一个信号。在局部执行数据融合或分类算法，由此被传输到基站的数据需求大量减少，可以实现大幅的能量改善。

通过分析在我们的传感器网络模型中使用传统路由协议的优点和缺点，我们开发了LEACH，一种能够使得传感器网络中能量消耗最小化的基于分簇的协议。LEACH的关键特性是：

簇建立和运行过程中的局部协调与控制。

簇“基站”或“簇头”与对应簇的随机轮替。

局部压缩以减少全局通信。

使用簇以将数据传输到基站，正是利用了这一优点：大部分结点传输很短的距离，而只需一些结点传输较长的距离到基站。然而，LEACH通过使用适当的簇以及轮替的簇头，允许在所有结点中分配系统所需的能量，因而优于经典的分簇算法。此外，LEACH允许在每个簇中执行本地运算以减少必须传输到基站的数据量。由于计算所需代价远小于通信，因而实现了能量消耗的大幅减少。

一阶无线电模式

目前，在低能量无线电通信领域有大量的研究。无线电通信特性的不同假设，包括传输和接收模型中的能量消耗，将决定不同协议的优势所在。在我们的工作中，我们假设了一个简单的模型，无线电通信消耗的能量

E

来运行传输或接收电路，以及

?

作为传输信号增益，以达到一个可接受的Eb

图1.一阶无线电模式

表1.无线电特性

操作

能量消耗

传输设备（ET

接收器设备（ER

（ET

50nJ

传输增幅器（?amp

100pJ

这些参数略高于无线电通信设计的目前的技术水平。我们同时假设了因信道传输造成的r2

E

ETx

为了接收该信息，无线电通信将消耗：

E

ER

根据这些参数值可以看出，接收一条信息代价不菲；因此协议应该力求实现不但使传输