基于能量均衡的无线传感网分簇拓扑算法研究(2)
图1 无线传感器网络结构
无线传感器网络的基本组成单位是配备有感知、计算和通信能力【2】的节点，配备十分有限的硬件资源，包括CPU、内存和电池。每个传感器节点具有有限的存储能力、有限的计算能力、有限的无线通信能力和有限的电源供应。一旦传感器网络部署后，对节点电池的充电或更换几乎不可能，节点一直工作到有限的电能耗尽为止。所以，如何在这样有限的资源环境下更有效地、尽可能多地感知监测区域中待探测对象的特征信息并传输给用户节点，以及怎样尽可能地降低能耗以延长网络生存时间是目前研究的重点问题。这些问题都可以归结为传感器网络的路由问题，这即需要有一个好的路由协议【3】来解决以上问题。节点电能的消耗主要用于无线传输/接收数据、处理查询请求、数据融合处理和感知环境参数等。其中无线通信消耗的能量占绝大部分。
基于对一个好的路由协议的的强烈需求来解决这些问题，无线传感器网络在分簇拓扑算法领域的研究便显得尤其必要。采用分簇技术可以有效地降低节点能耗，延长网络使用期。此外采用分簇技术组织的网络在可扩展性、鲁棒性和安全性等方面具有较好的优势。本文正是对无线传感器网络在分簇拓扑算法方面进行研究，以达到优化分簇方法，提高网络性能和延长网络生存时间的目的。
随着无线传感器网络的路由协议的研究逐渐受到关注，研究人员已经提出了许多针对无线传感器网络的路由协议,可以从不同的角度对它们进行分类。大体可以分成平面路由协议和分层路由协议两种。由于平面路由协议需要文持较大的路由表，占据较多的存储空间，因而并不适合在大规模网络中采用，分层路由算法可以在一定程度上解决这个问题。图2为平面路由和分层路由结构的比较。
图2 平面路由和分层路由结构比较
在众多的无线传感器网络的路由协议中，LEACH算法是比较成熟经典且常用具有代表性的分层路由算法。它是第一个基于簇的协议，作为一种自适应分簇拓扑算法，它的执行过程是周期性的，每一轮的循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合、与汇聚节点通信等工作，所以能量消耗较大。LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。
但是LECAH同时也存在自身的不完美。首先，由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。另外LEACH采取一跳通信方式，而实际情况下基站往往离整个网络非常远，频繁的远距离传输会大大消耗节点的能量。再有，LEACH协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点。最后，由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。
基于LEACH协议的经典地位及其在路由协议方面的代表性，本文首先重点研究 了LEACH算法，并且进行了计算机仿真。通过对LEACH协议的熟悉和理解，再针对其某几个方面的不足进行改进。改进的方面包括：簇头节点分布不均匀，簇头节点个数不最优，阈值不优。LEACH协议在一跳通信方式方面的问题由于研究时间关系，没有进行改进研究。在以上提出的LEACH协议不足方面的改进之后，提出了一种新的无线传感器网络分簇算法，并对其进行计算机仿真，得到结果后，与LEACH协议的仿真结果进行对比。
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