无线传感器网络路由算法的改进

摘　要：无线传感器网络的应用越来越多，其安全问题备受关注。无线传感器网络面临着众多的安全威胁，而传感器节点能量的有限性导致了传统的安全机制很难满足需求。基于无线传感器网络自身的特性，并在此基础之上，针对LEACH算法的缺点考虑，对其进行了改进，进而提出了一种新的路由算法即SP算法。使用NS2模拟器通过仿真实验证明：与LEACH算法相比,最短路径路由协议更适合多层移动大规模无线传感器网络。

关键词：无线传感器网络；安全机制；LEACH；SP；NS2

1LEACH 算法的优缺点
　　将网络消耗的能量平均分摊到每个节点上，从而延长了网络的生存期。
　　簇头进行数据融合，减少了数据通信量。
　　不需要控制，每个节点自适应的运行。
　　由于LEACH假设每一个节点都可以与网络中的任意节点通信，那么在网络覆盖区域较大时，因为传感器节点的通信距离是有限的，LEACH协议将不再适用。
　　由于LEACH随机产生簇头，使得簇头节点在网络中分布不均匀，若簇头位置靠近簇的边缘，则导致簇内普通节点与簇头通信总能量开销较大；若簇头距离较近，则失去分簇的意义。
　　没有考虑节点的剩余能量。如果某个节点的剩余能量比较小，而它又恰巧被选为簇头节点，而簇头的能量消耗比较大，那么一旦簇头的能量耗尽，那么该簇所收集的信息将不能传回Sink节点，这种情况，应该尽量避免。
2SP算法
2.1SP算法的节点架构
　　避免了像传统的基于簇的路由协议那样频繁选举簇头，为S节点节省了大批量能量，而且支持节点的移动。
　　三层移动节点架构如下：
　　S节点（感应节点）：彼此互不通信，仅接收数据，将其发送给一跳以内的F邻接点。
　　F节点（融合节点）：管理维护路由表，接收融合接收的数据，然后通过最短路径转发给C节点。
　　C节点（控制节点）：是M2WSN的数据仓库。接收到F节点的数据后，终端用户加以分析找出自己想要的数据。而且C节点可以作为网关与Internet互联。
2.2SP路由协议原理
　　（1）邻节点查找
　　F节点广播含有ID和自己坐标的HELLO包，F收到包后，记录ID和坐标，然后将其写入矩阵邻接表Table(i,j)(1≤i,j≤n).。如果HELLO包的源地址和目的地址的距离在F节点的通信半径之内，目的节点会将距离写入矩阵Cost(i,j),否则写∞。
　　（2）最短路径构建
　　基于矩阵Cost(i,j),每个F节点执行佛洛伊德算法找到任意两个F节点的最短路径。算法的基本思想是递归地获得一系列的矩阵值u三其中C（0）是给定的。C^（k））(i,j)是节点i,j通过中间节点数目小于k的距离矩阵。若没有中间节点k, 那么C^（k）(i,j)= C^（0）(i,j)= Cost(i,j)。当得到C⁽ⁿ⁾时，算法结束。
　　假设C^（k-1）(i,j)已经给定，要得到C^（k）(i,j)，需考虑如下两种情况：
　　如果节点k不在i到j的最短路径内，那么依据C^（k）(i,j)的定义，得到C^（k）(i,j)= C^（k-1）(i,j)。
　　如果节点k在i到j的最短路径内，那么依据C^（k-1）(i,k)和C^（k-1）(k,j)的定义，若C^（k-1）(i,k)+ C^（k-1）(k,j)< C^（k-1）(i,j),得到C^（k）(i,j)= C^（k-1）(i,k)+ C^（k-1）(k,j)。
3仿真场景的设立及实验结果分析
　　在100米*100米及500米*500米的区域内，有50、100、200个S节点随机分布在初始能量为0.25J,0.5J,1J,2J。F节点分布在区域中心，覆盖整个区域，构建互联的网络。C节点随机分布在区域内部。
　　图1描述了网络负载如何随着仿真实验结束的时间而减少的。其中，包含100个初始能量为2J的S节点，并且仿真时间是60分钟。从图1可以看出，在100米*100米和500米*500米中，在移动传感器网络中的网络负载下降到低于10%，且一直维持这个水平。当更新周期到来时，网络负载会上升一些，但不会上升太多值，随后又迅速降低到低于10%。随着区域的拓展，S和F节点的距离被延长至超过通信半径，所以网络负载会随之上升。

　　图1网络负载
　　图2表明在含有100个初始能量为0.25J的S节点分布在100米*100米区域内的网络中，当仍存在存活节点时所经历的循环次数。依据图2，可以　　看出SP中的第一个节点的灭亡比LEACH中第一个节点的灭亡要晚很多，而且在LEACH中的节点比在SP中的节点灭亡的要快。节点越早越快的灭亡，那么就会有越多的盲点出现。因此，比起LEACH算法，SP更适合应用于移动无线传感器网络中。

　　图2仍存在存活节点时所经历的循环次数
4结论
　　总之，相比较LEACH算法、LEACH-M算法，SP算法延长了网络生存期的同时，支持节点的小规模移动，即SP算法更适合于多层移动大规模无线传感器网络。
参考文献
Karlof C,Wagner Routing in wireless sensor networks:attacks and countermeasures sensor network protocols and applications .dings of the first IEEE.2003 IEEE International workshop on 11 May 2003 pages,113-127.