摘 要:无线传感器网络中,传感器节点是通过携带能量有限的电池供电,因此如何有效利用能量,延长节点的生命周期是无线传感器网络首要研究的问题。为了达到降低网络能源消耗的目的,本文在第一顺序无线电模型的基础上利用能量消耗的关系得到了典型分簇路由协议LEAH的最佳建簇概率。研究结果表明,当分簇数目小于最佳建簇数目时,传感器网络每轮消耗的总能量就会以指数方式增加,说明确立最佳建簇数目可以降低网络能耗,从而提高无线传感器网络的整体生存时间。
关键词:无线传感器网络; LEAH; 簇; 能量消耗
ptiu Prbability f lustering Establishing in LEAH Prtl
ZHANG Rui-hua1, GA Rui2, FAN hun-rng3
(1. Xi’an Aertehnial llege, Xi’an 710077, hina; 2. Baji University f Arts and Sienes, Baji 721007, hina;
3.The Design Researh Institute, The Nrthest ahine . Ltd., Xi’an 710119, hina)
Abstrat: Sine the per f the nde is supplied by battery ith finite energy, h t ake use f energy effetively and extend the life perid f the ndes is the key issue in the researh f ireless sensr netrk. The ptiu prbability f lustering establishing fr the typial lustering prtl LEAH is ahieved by applying the relatinship f energy dissipatin based n the first rder radi del t redue energy nsuptin by the netrk. It shs that the energy nsued by the ireless sensr netrk in every yle an inrease expnentially hen the nuber f lustering is ler than the nuber f the ptiu lustering establishing, hih eans that the deterinatin f ptiu nuber f lustering establishing an redue its energy nsuptin and iprve the general life spae f the ireless netrk.
Keyrds: ireless sensr netrk; LEAH; luster; energy nsuptin
收稿日期:2010-06-18
0 引 言
无线传感器网络中的低功耗自适应分簇路由协议(L Energy Adaptive lustering Hierarhy,LEAH)应用比较广泛,在LEAH协议中每轮都要重新选举簇头,而每轮传感器节点当选为簇头的数目直接影响传感器网络每轮消耗的总能量,而该协议研究的物理基础是第一顺序无线电模型(First rder Radi del),本文就是在此模型的基础上利用能量消耗的关系来得到最佳建簇概率。
1 LEAH协议简介
LEAH[1]协议是由HEinzelan等人最早提出的一种经典的无线传感器网络分簇协议,后续的分簇协议大都基于LEAH协议,LEAH将均匀分布在检测区域的各个节点进行分簇,在每一簇中,有一个特殊的节点称为簇头节点,用于管理或控制整个簇内成员节点,协调成员节点之间的工作,负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。
在每一簇中所有其他的节点均为成员节点。簇内成员节点只在属于自己的时隙内与簇头通信,其他时间处于休眠状态。簇头节点汇集其成员的数据并进行处理,然后将处理后的数据发送到汇聚节点。由于汇聚节点通常距离较远,簇头必须消耗较多的能量进行数据传输[2]。成员节点与簇头之间的通信比起直接与汇聚节点通信消耗的能量要少的多。由于簇头总是处于工作状态,并且总是进行远距离通信,因此其能量消耗是很大的。如果一个固定节点起这种作用,其能量将会很快耗尽。因此,LEAH在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程。
2 第一顺序无线电模型
第一顺序无线电模型如图1所示。无线信号的强度随接收、发射电路之间的距离呈幂指数降低[3]。目前有两种信道模型[4]:自由空间(Free Spae)模型,发射功率呈d2衰减;多路径衰减(ulti-Path Fading)模型,发射功率呈d4衰减。
图1 第一顺序无线电模型
LEAH协议采用的是自由空间模型。当节点均匀地分布在监测区域时,节点当选为簇头的最佳概率是空间密度的函数。这种情况下分簇是最佳的,也就是能量消耗分布均匀时,总能量消耗最小。在距离d上传输L b的数据时所消耗的能量为[5]:
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