无线传感器网络基于分簇路由的数据融合研究

0 引言

无线传感器网络综合了无线通信技术、传感器技术、嵌入式系统、分布式计算等多种前沿技术，网络内各节点能够通过无线通信方式(如ZigBee)形成自组织网络，协同感知与处理待测区域内的相关信息并发送给观测者。在无线传感器网络具备诸多优势的同时，其节点在电池能量、数据处理能力、存储能力等方面资源十分有限，因此在数据采集与处理过程中的路由与数据融合是一个影响整个网络生存时间与数据采集效率的关键性问题，这也是当前的研究热点之一。无线传感器网络诞生以来，研究者依据使用环境设计了很多经典的路由协议，其中包括基于节点分簇机制的LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)、定向扩散路由DD(Directed Diffusion)、基于地理位置信息的GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)等等。本文主要讨论基于分簇路由的数据融合问题，下面将以LEACH为基础加以分析。

1 LEACH协议分析

LEACH协议是由MIT的Heinzelman等学者提出的一种用于无线传感器网络的低功耗自适应分层聚簇路由算法，其基本思想就是以"轮"为周期循环地随机选择簇头节点，将整个网络的能量消耗尽量分散在每个节点中，延长网络生存时间。每一轮包括两个阶段：簇的建立阶段与数据的稳定传输阶段。在簇的建立阶段，通过算法随机选择某些节点成为簇头，其他节点则选择与其距离最近的簇头形成簇；在数据的稳定传输阶段，每个节点分别采集相关数据传送至簇头，簇头接收簇内各个节点的数据后一起发送给基站。

在簇的建立阶段，关键问题就是簇头的选择。为了选择簇头，网络内每个节点都随机生成一个介于0～1之间的数n如果n小于T(n)，则其成为簇头，T(n)的计算方法如下：
　　

式中：p为预设的每个节点成为簇头的概率；r为当前运行的轮数；G为最近的1／p轮中尚未成为簇头的节点集合。该算法让每1／p轮中网络内的各个节点都有且仅有一次轮成为簇头。完成簇头选择以后，成为簇头的每个节点都向网络发送广播信息，然后网络内的每个节点通过收到的信号强度决定它要加入的簇(信号的强度与两个节点直接的距离正相关)并向该簇头发送请求信息，形成簇。分簇完成之后簇头节点采用TDMA方式为簇内的每个节点分配其向簇头上传数据的时隙，开始数据的稳定传输阶段，经过一定时间后再开始下一轮的循环，直至节点因能量耗尽陆续死亡，当剩余节点不再满足数据采集的需要时，网络的生命结束。

LEACH协议的分簇拓扑结构无需复杂的路由信息，减少了路由控制过程中消耗的能量，簇内节点大部分时间可以关闭耗能最高的通信模块，将数据转发功能交给簇头节点，有效地节省了簇内节点能量，而簇头的轮换机制也保证了某个节点的能量不至于过快消耗，相对平衡了所有节点的能耗，延长了网络生存时间。

显然，LEACH协议也存在缺点，主要体现在以下两个方面：

(1)簇头选择算法的随机性过大，在每轮的簇头选择阶段，任何节点成为簇头的概率相同，而簇头节点承担了网络中的很大部分通信，包括从簇内节点接收数据与发送数据至基站，当能量较低的节点当选为簇头时必然会导致其能量的快速耗散以至死亡，节点能量的不平衡也将影响网络整体的生存时间；

(2)LEACH协议在数据传输中虽然体现了数据融合的思想，但并未提出数据融合的具体措施。

2 基于LEACH的数据融合算法

针对LEACH协议的不足，本文提出了一种基于LEACH的数据融合算法，旨在克服LEACH的不足并加入数据融合机制，节省网络资源，提升数据采集效率。

2．1 簇头选择算法

因为LEACH的簇头选择算法随机性过大会导致部分节点的能量消耗过快，本算法在簇头选择机制上加入了能量控制因素，让剩余能量高的节点有更大的概率当选为簇头。具体实现方法是通过节点当前剩余能量与其初始能量的比值来影响阈值T(n)，T(n)的计算方法如下：
　　

式中：En_current表示节点当前的剩余能量；En_initial表示节点的初始能量；rm表示节点连续未当选为簇头的轮数，每轮进行簇头选择时若该节点当选为簇头，则rm重置为0，而若该节点未当选为簇头，则rm自增一次。

在簇头选择算法中加入上述能量限制因素后，节点当选为簇头的随机性大大降低，剩余能量多的节点比剩余能量低的节点有更大的几率当选为簇头，因此极大地利用了节点的剩余能量，有效防止了某些节点能量消耗过快以致死亡，平衡了网络内节点的能量消耗。

2．2 簇头数据融合树的建立

依据LEACH对无线传感器网络的假设，节点发送信息的能耗ETx(k，d)与接收信息的能耗ERx(k)分别为：
　　

式中：Eelec为发送和接收单位信息的能耗；εamp为信号发送放