分簇无线传感器网络中基于LEACH路由协议的跨层节能技术研究

摘要

节能是无线传感器网络(WSNs)设计者首要考虑的问题。节点分簇组网方法和网络跨层设计方法是无线传感器网络提高网络性能的技术。本文基于LEACH路由协议进行跨层设计,专门研究分簇无线传感器网络有效节能技术,提出了Crosslayer-LEACH跨层协议,取得了较大的节能性能。
　　 LEACH协议是分簇路由协议中具有代表性的协议,许多分簇路由协议是基于LEACH协议改进发展而成的。本文是基于LEACH分簇路由协议进行研究;同时跨层设计考虑了路由层、MAC层、链路层和物理层,结合电池非线性放电模型、正交调制技术、TDMA和CSMA MAC技术,以及LEACH路由协议来进行集成跨层设计;以调制级别参数为多层跨层变量,以网络能量节省为目标,进行跨层优化。
　　 本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构、应用领域、关键技术,阐述了跨层技术在节能中的应用,然后对无线传感器网络典型的路由协议进行了比较,并着重对LEACH分簇路由协议进行了分析与研究。在此基础上,本文进行了以下两个方面的跨层节能设计和优化:
　　 (1)联合电池非线性放电特性与调制方式,进行了链路层-物理层的跨层设计和优化。采用考虑了节点电池的容量特性和恢复特性的准确的非线性电池模型,对无线传感器网络链路中传感器节点在采用FSK调制技术时每工作周期传输的帧数、调制指数等进行联合节能设计和优化,找出其中最节能的方案。
　　 (2)结合路由层、MAC层、链路层和物理层,对分簇路由协议LEACH进行跨层节能改进。利用(1)中的有关结论,针对LEACH协议的簇头节点容易死亡的问题,提出了一个跨层改进协议Crosslayer-LEACH,其主要改进思想如下:修改网络能量模型为更准确的非线性能量模型;在建簇阶段,簇头结点根据成员节点选择的最优调制指数为簇内成员节点创建相应的TDMA时隙表;在数据通信阶段,簇头结点和成员节点都采用根据各自的传输距离选出的最优调制指数发送数据帧,以减少所有节点的传输能耗,成员节点不发送数据时处于睡眠状态;在建簇过程中控制信息的传输以及簇头节点与sink节点的相互通信都采用cross-CSMA/CA MAC机制。
　　 在Matlab仿真平台下对跨层设计方案和改进协议Crosslayer-LEACH进行了仿真。实验结果表明,不同的跨层设计方案会较大影响节点电池的寿命,与LEACH协议相比,跨层改进协议Crosslayer-LEACH的能量效率有较大幅度的提高,延长了分簇无线传感器网络的网络寿命。