无线传感器网络数据收集方案改进方法研究

李茂春，秦 峰，许建阳

（成都文理学院，四川 成都 610401）

无线传感器网络数据收集方案改进方法研究

李茂春，秦 峰，许建阳

（成都文理学院，四川 成都 610401）

当前，无线传感器网络成为研究热点，其数据的传输安全性受到广泛关注。文章提出了一种基于改进的LEACH协议的无线传感器网络数据收集方案，降低了数据传输过程中的能量损耗。

LEACH协议；传感器；数据收集

随着信息技术的不断发展，及时有效地掌握相关信息十分重要，因此，信息收集技术的作用十分重要，应用范围较广。在当前应用的信息收集技术中，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）十分受关注，该项技术具有成本低、性价比高、能量消耗低及在任意环境中易分布，自由组成无线网络等优点，这使无线传感器信息采集变得十分简单。无线传感器被广泛应用于压力、温度、定位等方面的信息采集。当前传感器信息采集协议包括LEACH协议、分簇协议、TEEN协议等。本文基于改进的LEACH协议对无线传感器数据收集网络进行研究。

1 mWSN网络体系结构

在部署无线传感器网络时，可以采用确定性部署和随机部署相结合的方式，随机部署移动传感器网络节点，固定传感器参考节点采用确定性部署方式，这样可以构建比较稳定的传感器网络结构，同时也能更好地使用网络动态拓扑的变化，以降低传感器网络的能耗。移动无线传感器网络（Mobile Wireless Sensor Network，mWSN）层次结构如图1所示。该网络被分成了大小均匀、数量固定的簇，并且每个簇中都一个固定参考节点，每个固定参考节点包含一个簇头节点（Cluster）及多个簇内成员节点。网络体系中的通信为簇内成员节点与Cluster之间的通信、固定节点之间的通信。

图1 mWSN的层状结构

在mWSN网络结构中，一个监测区域中需要同时部署n个传感器节点，并且根据实际应用需要，除了部署固定的m个传感器节点（节点坐标位置可知）之外，还需要在监测区域中随机部署n-m个移动节点（节点坐标位置不可知）。通过分簇算法将WSN中的节点划分成不同的簇和Cluster，每一个簇由一个Cluster、某个固定传感器节点及多个簇内成员节点组成，而且全部的固定节点形成一颗路由汇集树，且该树以Sink为根。

在传感器网络的簇－树拓扑结构中，各自的Cluster接收各自成员节点发送的数据，Cluster将接收的数据融合后发送至相应的固定节点，最终发送到Sink。由于需要经过多个不固定节点，因此，Cluster在发送过程中将消耗很多能量，降低了网络生存时间，因此，为了实现簇－树拓扑结构的能效消耗，需要确定数据传输的最优路径，以使整个mWSN有较好的数据吞吐量。

2 基于移动Sink的数据收集协议

为了对上文描述的缺陷进行弥补，降低数据传输时的能量消耗，本文采用移动Sink方案进行数据收集，让Sink移动到簇头附近进行数据收集，会大大节约簇头的能量。在无线传感器网络节点中采用改进的LEACH协议对节点进行分簇，并且采用蚁群算法寻找簇头结点信息发送的最优路径，Sink沿着最优路径移动至簇头附近收集数据，从而降低了传送数据中的能量消耗。在此过程中还可以通过优化确定移动Sink的最优移动速度，这样可以确保移动Sink收集到的数据不会出现溢出的现象。

2.1 改进的LEACH协议

由于LEACH协议具有节点死亡速度快、簇头能量消耗不均衡、节点能量不能充分利用等缺点，因此，需要对LEACH协议进行改进，提出了新的改进协议，改进主要体现在以下3个方面：

（1）簇头的选择。对于门限值的确定加入了两个新的元素：当前节点未当选为簇头的轮数及剩余能量，改进之后的T(n)的计算公式如公式（1）所示。

公式（1）中，E0，Erest分别代表当前节点的初始能量和剩余能量；p代表最理想的簇头节点占总节点的百分比；Rs代表当前节点未当选为簇头节点的轮数。

根据公式（1）可知，如果没有当选为簇头的轮数Rs的值越大，且当前节点的剩余能量Erest的值越大，则门限值T(n)也就越大，因此当前节点当选为簇头节点的概率也就越高。节点当选为簇头之后，Rs的值为0，许多改进的门限值公式只考虑了Erest这个影响因素，而没有考虑Rs这个影响因素，这样会出现节点当选为簇头机会不均等的现象，本文对此进行改进，改进之后可以让节点当选为簇头的机会更加平均。

（2）限制簇的大小。通过上述分析可知，簇头的选择同Leach一样通过门限值和随机数两者的比较来确定节点是否可以成为簇头，只不过对门限值的计算公式进行改进，因此，为了需要限制簇的大小降低热点地区能量消耗的问题。簇头节点的剩余能量和簇头节点距离基站的距离两个因素决定了簇的大小，距离基站远说明簇成员多，距离基站近说明簇成员少，同时如果簇头的剩余能量多则说明簇成员相对较多，反之簇成员相对较少。通过对距离基站近的簇头节点进行设置使其形成比较小的簇，这样就能降低每个簇中的能量消耗，能够节省更多的能量承担其他簇头数据的转发任务，使网络消耗能量更加均衡。

（3）簇头与基站之间的数据通信通过多跳路由来完成。实现过程：每个簇头节点接收到簇内成员的数据融合处理后，寻找距离自己最近的下一跳簇头节点，下一跳簇头节点将数据融合之后发送到距离基站更近的下一跳簇头节点，如此往复，最后由距离最近的簇头节点把数据发送给基站。

2.2 最优路径的搜索

蚂蚁携带的报文中每个参数代表的意义如下：SrcAdd—源簇头节点地址；Esum—蚂蚁访问过节点消耗的能量总和；SrcTime：出发时间；VisitedNode—已访问过的节点；Ecost—能耗；：信息素；Eremain：剩余能量；Emin：链路最小剩余能量；下一跳概率；Eavg：链路平均能耗。

公式（2）中，τij代表Si，Sj在t时刻的信息素浓度；ηi,j代表Si，Sj间链路状态启发信息，定义为Si，Sj间的链路带宽bandwidthij与Si，Sj间链路时延delayij的比值，即：

可用能量度ϕij(t)，定义为：

公式（4）中，Eicost(t)代表Si到Sj传送数据的能耗。Ei(t)remain代表S节点剩余能量。d(j,k)代表Sj与下一跳簇头Sk的距离。d(i,j)代表Si，Sj间距离。分别代表每个因子的权重系数。

在蚂蚁搜寻最优路径的过程中，链路的时延根据前向蚂蚁携带的报文内容计算得出，前向蚂蚁到达下一跳簇头节点之后对路由表进行更新，除此之外还要计算路径搜寻中的能量耗损并记录在路由表中，经过多轮迭代之后，确定蚂蚁搜寻的最优路径。

3 结语

本文对无线传感器网络数据收集方案进行改进，并且根据改进的LEACH协议及蚂蚁算法最终确定最优路径，降低无线传感器网络数据传输的能量消耗，使传感器网络更加稳定，数据吞吐能力更强，但是由于研究的时间有限，该数据采集策略可能在应用中还会存在一些问题，后续将继续对其进行研究，优化该策略。

[1]YICK J, MUKHERJEE B, GHOSAL D. Wireless sensor network survey[J].Computer Networks, 2008（12）：2292-2330.

[2]POTDAR V, SHARIF A, CHANG E.Wireless sensor networks:a survey[C].Bradford：Proceedings of International Conference on Advanced Information Networking and Applications, 2009：636-641.

[3]李婵婵，解培中.无线传感器网络中一种改进的Leach协议[J].计算机技术与发展，2013（10）：87-90，94.

Research on improved methods for wireless network data collection scheme

Li Maochun, Qin Feng, Xu Jianyang
（Chengdu College of Arts and Science, Chengdu 610401, China）

At present, wireless sensor network is becoming a research hotspot, and the security of data transmission has been paid more and more attention. In this paper, a kind of wireless sensor network data collection scheme based on the improved LEACH protocol is proposed in this paper , which reduced the energy loss in the process of data transmission.

LEACH protocol; sensor; data collection

李茂春（1983— ），男，四川雅安，硕士，助理研究员；研究方向：物联网，嵌入式开发。