论文笔记 - Q-Leach：用于无线传感器网络的基于节能群集的路由协议

文献题目：Q-Leach: An energy efficient cluster based routing protocol for Wireless Sensor Networks
文献来源：IEEE
原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/6481179

概述

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）由大量具有无线通信能力、有限的计算能力和传感能力的传感器节点组成，在公共通信中被广泛的应用。但是在使用过程中，传感器节点会受到能量供应和带宽的限制。

本文设计的 Q-LEACH 协议结合了基于位置的路由、受限泛洪和聚类三种方法，有效降低能耗并延长网络寿命。

系统模型

Q-DIR

基于象限的方向路由协议（quadrant Based Directional Routing Protocol，Q-DIR）是一种受限泛洪路由协议，它将定位服务提供的位置信息集中在量化区域上。

在 Q-DIR 协议过程中，源节点和目标节点的位置信息都搭载在路由请求（RREQ）中进行公布。RREQ 穿越网络的过程中，通向目的地的路径将附加在 RREQ 中，接收到 RREQ 后，目标节点通过通过该导航路径将路由回复信息（RREP）发送回源节点。通过在象限上应用受限泛洪以及无线自组网按需平面距离向量路由协议（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）中的路径累积功能，将有助于发现路由的节点数量减少，从而降低路由开销。

Q-DIR 协议再源和目的地之间使用的能量受到限制，从而提高了网络的能源效率，该能源效率取决于源和目标之间的节点数。

图1 参与总泛洪算法节点图2 参与 Q-DIR 算法节点

图1显示了泛洪算法将参与的节点，这将导致更多的路由数据包在网络中广播。图2显示了 Q-DIR 算法将参与的节点，根据源和目的所在的位置，对中间位置的相同象限泛洪进行限制，则参与节点较少，减少了穿越网络的路由数据包数量。

LEACH

低功耗自适应集簇分层型协议（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）是最基本的基于能源效率的集簇分层路由协议。LEACH 协议包含数据聚集过程，将原始数据链接到较小的数据中，使数据仅包含传感器的有用信息。基于网络中的节点需要带电工作的事实，LEACH 使用集群技术来减少传输到接收器的数据量，从而提高网络生存能力。LEACH 协议中使用的传感器不使用位置或距离信息。

图3 LEACH 协议模型

为了实现设计目标，LEACH 执行的任务如下：

簇头和相应簇的随机旋转
通过局部压缩减少全局通信
集群设置和操作的本地协调和控制
低能耗媒体访问控制
特定于应用程序的数据处理

LEACH 操作分多轮进行，每轮包含两个阶段：

设置阶段
将网络组成集簇、公告簇头、创建传输时间表
稳态阶段
数据汇总、压缩、传输

Q-LEACH

Q-LEACH 是一种融合路由协议，它结合了基于位置的路由协议和基于分层的路由协议的优势，利用受限泛洪的概念，有效降低能耗并延长网络寿命。

Q-LEACH 协议在各个节点上计算距离、转发区域信息，以决定它们是否向目的地前进，并在每个中途节点重复该过程，知道到达目的地位置。使用聚类算法，将节点集合成集簇，并将簇头分配给各个集簇完成数据混合，以减少集簇中节点消耗的能量。

实验仿真

仿真设置

网络规模：100×100m100 \times 100m100×100m
节点个数：155155155
BS 坐标：(50,170)(50,170)(50,170)
时延：100/μs100\ /\ \mu s100 / μs
模拟数据规模：500byte500\ byte500 byte

仿真结果

实验模拟了 LEACH 和 Q-LEACH 两种协议。

图4 归一化路由开销

图4显示了两种协议的归一化路由开销，LEACH 协议平均归一化路由开销为85.73packets85.73 \ packets85.73 packets，Q-LEACH 协议平均归一化路由开销为52.73packets52.73 \ packets52.73 packets。可见，由于网络中大量节点的参与，LEACH 协议比 Q-LEACH 协议多传输约 33%33\%33% 的数据包。

图5 有效能耗

图5显示了两种协议的有效能耗，随着节点的增加，能耗也在上升。LEACH 协议能耗为 1.0012J1.0012 \ J1.0012 J，Q-LEACH 协议能耗为 0.423J0.423 \ J0.423 J。可见， Q-LEACH 协议比 LEACH 协议发送数据包能耗降低了约 57%57\%57%。

总结

本文提出了一种用于无线传感器网络的融合路由协议 Q-LEACH。网络分为四个象限，在每个象限内形成集簇，并且将簇头分配给每个簇。这些簇头在更新和转发节点位置以及将路由请求包（RREQ）指向下一个集簇方面发挥了重要作用。最短路径是通过 RREQ 确定的，RREQ 将通告区域限制为源节点和目标节点所在的相关象限。仿真结果证明了 LEACH 和 Q-DIR 的集成，Q-LEACH 协议有效减少了能耗并延长了网络寿命。同时采用受限泛洪基于位置和集簇技术减少 RREQ 在网络中向目标节点导航时参与节点的数量，从而在 Q-LEACH 中减少了开销和能耗。