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第22届夏威夷系统科学国际会议录无线微型传感器网络下能量高效的通信协议WendiRabinerHeinzelman,AnanthaChandrakasan,和HariBalakrishnan麻省理工学院剑桥，MA02139{fwendi,anantha,harig}@mit.edu摘要无线分布式微型传感器系统将实现在各种环境下的可靠监控，以满足民用以及军事应用。在本文中，我们调查了能够在这些网络整体能量消耗中有重要影响的通信协议。我们发现直接传输通信协议、最小传输能量、多条路由、以及静态分簇对于传感器网络可能不是最优的，在此基础上我们提出了LEACH（低能量适应性分级分簇），一种基于分簇的协议，该协议利用本地簇头随机轮替以均衡地分配网络中的传感器结点的能量负载。LEACH通过局部协调以保障动态网络的可测量性与健壮性，并将数据融合加入路由协议中以减少必须传递到基站的信息量。仿真实验表明，相比传统路由协议，LEACH可以在能量消耗上达到高达八倍的减少。另外，LEACH允许在传感器结点中均匀地分布能量消耗，在我们仿真的网络中使得有效的系统使用寿命增加了一倍。1.综述在基于MEMS的传感器技术，低能耗的模拟及数字电子学，以及低能耗的无线电通信设计方面的最新进展，使得价格相对低廉以及低能耗的无线微型传感器获得了发展。这些传感器并不像那些昂贵的具有相同功能的大型传感器一样可靠与精确，但是它们的尺寸以及造价却允许将成百上千个这样的微型传感器应用在网络中，以实现高质量、容错的传感网络。可靠的环境监测在许多商业的以及军事的应用中都十分重要。比如，对于一个安全系统，声音传感器、震动传感器和视频传感器可以用来组成一个自组织网络来进行入侵检测。微型传感器也可以用来监视机器设备，来进行故障检测和诊断。微型传感器网络可以包含上百个或上千个传感器结点。人们希望这些结点能尽可能地便宜及能量高效，因而可以依仗庞大的数量来获得高质量的结果。网络协议必须被设计为在保证能量消耗最小化的同时，实现对个别的结点故障具有容错能力。另外，由于有效的无线信道带宽必须在网络中的所有结点间共享，这类网络的路由协议应该允许执行局部合作以减少带宽需求。最后，被网络中的结点感知到的数据必须被传输到一个控制中心或基站，在这里终端用户可以访问到这些数据。已经有许多为这些微型传感器网络设计的合理的模型。在本文中，我们设想如下场景：基站是固定的，并且放置在离传感器很远的地方。网络中的所有结点是同质的，并且具有能量限制。如此一来，在传感器结点与基站之间的通信便是昂贵的，并且没有“高能量”结点来实现通信。这是麻省理工大学μ-AMPS项目的框架，该项目专注于新型能量优化的解决方案，该方案包含了在系统体系中的所有层次，从物理层和传输协议向上到应用层和微型传感器结点的高效的数字信号处理设计。对于终端用户来说，传感器网络包含了太多的数据，因此，需要一种自动化的方法来将大量数据组合或聚合成一小组有意义的信息。除了帮助避免信息过载之外，数据聚合——也就是所谓的数据融合，还可以将数个不可靠的数据测量值组合成一个更加精确的信号，这一过程通过强化共同的信号以及减少无关联的背景噪音来实现。在聚合的数据中执行分类及可以通过人工操作来完成，也可以自动去实现。执行数据聚合的方法以及分类的算法都是应用相关的。例如，听觉信号经常使用beamforming算法去整合，以将所有信号包含的相同信息从多个信号减第22届夏威夷系统科学国际会议录少成一个信号。在局部执行数据融合或分类算法，由此被传输到基站的数据需求大量减少，可以实现大幅的能量改善。通过分析在我们的传感器网络模型中使用传统路由协议的优点和缺点，我们开发了LEACH，一种能够使得传感器网络中能量消耗最小化的基于分簇的协议。LEACH的关键特性是：簇建立和运行过程中的局部协调与控制。簇“基站”或“簇头”与对应簇的随机轮替。局部压缩以减少全局通信。使用簇以将数据传输到基站，正是利用了这一优点：大部分结点传输很短的距离，而只需一些结点传输较长的距离到基站。然而，LEACH通过使用适当的簇以及轮替的簇头，允许在所有结点中分配系统所需的能量，因而优于经典的分簇算法。此外，LEACH允许在每个簇中执行本地运算以减少必须传输到基站的数据量。由于计算所需代价远小于通信，因而实现了能量消耗的大幅减少。2.一阶无线电模式目前，在低能量无线电通信领域有大量的研究。无线电通信特性的不同假设，包括传输和接收模型中的能量消耗，将决定不同协议的优势所在。在我们的工作中，我们假设了一个简单的模型，无线电通信消耗的能量𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐=50𝑛𝐽𝑏𝑖𝑡来运行传输或接收电路，以及𝜖𝑎𝑚𝑝=100𝑝𝐽𝑏𝑖𝑡×𝑚2作为传输信号增益，以达到一个可接受的𝐸𝑏𝑁𝑏（见图1及表1）。图1.一阶无线电模式表1.无线电特性操作能量消耗传输设备（𝐸𝑇𝑥−𝑒𝑙𝑒𝑐）接收器设备（𝐸𝑅𝑥−𝑒𝑙𝑒𝑐）（𝐸𝑇𝑥−𝑒𝑙𝑒𝑐=𝐸𝑅𝑥−𝑒𝑙𝑒𝑐=𝐸elec）50𝑛𝐽𝑏𝑖𝑡传输增幅器（𝜖𝑎𝑚𝑝）100𝑝𝐽𝑏𝑖𝑡𝑚2这些参数略高于无线电通信设计的目前的技术水平。我们同时假设了因信道传输造成的𝑟2的能量损耗。因此，使用我们的无线电通信模型，为了传输一个k位的信息到距离为d的地方，无线电通信将消耗：𝐸𝑇𝑥(𝑘,𝑑)=𝐸𝑇𝑥−𝑒𝑙𝑒𝑐(𝑘)+𝐸𝑇𝑥−𝑎𝑚𝑝(𝑘,𝑑)𝐸𝑇𝑥(k,d)=𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐×𝑘+𝜖𝑎𝑚𝑝×𝑘×𝑑2(1)为了接收该信息，无线电通信将消耗：𝐸𝑅𝑥(𝑘)=𝐸𝑅𝑥−𝑒𝑙𝑒𝑐(𝑘)𝐸𝑅𝑥(𝑘)=𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐×𝑘(2)根据这些参数值可以看出，接收一条信息代价不菲；因此协议应该力求实现不但使传输距离最小化，而且让每条信息的传输数量和接收操作最小化。我们假设无线信道是均衡的，例如在给定了信噪比的情况下，从结点A向结点B传输一条信息所需的能量，与从结点B向结点A传输一条信息所需的能量是相同的。同时我们还假定所有传感器以相同的频率感知环境信息，因此总是有数据要向终端用户发送。在我们的协议的未来版本中，我们将实现一种“事件驱动”的仿真，在这种情况下，传感器只有在环境中发生一些事情时才需要传输数据。第22届夏威夷系统科学国际会议录3.路由协议的能量分析已经有一些为无线网络而提出的网络路由协议，可以放在无线传感器网络的环境中进行研究。我们使用我们的传感器网络与无线电模型研究了两个这样的协议，即带基站的直接通信和最小能量的多跳路由。此外，我们论述了一种传统的分簇路由，以及当结点都有能量约束时使用这种方法的不足。使用一种直接通信路由，每个结点直接向基站发送它的数据。如果基站距离结点很远，直接通信将耗费每个结点大量的传输能量（这是因为在公式1中，d是很大的一个值）。这将很快耗尽结点的电池并减少系统的使用寿命。但是，该协议中唯一的好处在基站这里，因此如果基站离结点很近或者接收数据所需能量很大时，这可能是一种可接受的（可能是最佳的）通信方式。我们考虑到的第二种通信的途径是“最小能量”的路由协议。在著作【6,9,10,14,15】中论述了一些有功率意识的路由协议。在这些协议中，结点通过中间结点将最终要传给基站的数据传输过去。因此，结点的行为除了感知环境之外，还是其它结点数据的路由器。这些协议在路由的选择上是不同的。在这些协议中，有的协议【6,10,14】只考虑传输者的能量而忽视了在决定路由时接收者的能量消耗。在这种情况下，通过选择中间结点使得传输增幅器的能量（𝐸𝑇𝑥−𝑎𝑚𝑝(𝑘,𝑑)=𝜖𝑎𝑚𝑝×𝑘×𝑑2）最小化了。因此结点A如果要通过结点B向结点C传输，当且仅当：𝐸𝑇𝑥−𝑎𝑚𝑝(𝑘,𝑑=𝑑𝐴𝐵)+𝐸𝑇𝑥−𝑎𝑚𝑝(𝑘,𝑑=𝑑𝐵𝐶)𝐸𝑇𝑥−𝑎𝑚𝑝(𝑘,𝑑=𝑑𝐴𝐶)(3)或者d𝐴𝐵2+d𝐵𝐶2d𝐴𝐶2(4)然而，对于这个最小传输能量（MTE）路由协议来说，并不是只是一次（高能耗）数据的传输，而是每条数据信息必须穿过n（低能耗）个传输者和n个接收者。依照传输增益器和无线电通信的相对代价，使用MTE路由时系统总的能量消耗可能实际上高于直接传送至基站。为了阐明这一观点，考虑图2所示的直线网络，其中结点之间的距离是r。如果我们考虑将一条k位的信息从距离基站nr的结点传输时的能耗，使用直接传输的方法和公式1与2，我们有：𝐸direct=𝐸𝑇𝑥(k,d=n∗r)=𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐∗𝑘+𝜖𝑎𝑚𝑝∗𝑘∗(𝑛𝑟)2=𝑘(𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐+𝜖𝑎𝑚𝑝𝑛2𝑟2)(5)在MTE路由中，每个结点向到基站的路径上最近的结点发送信息。因此位置距离基站nr的结点传送信息需要距离为r的发送N次，以及接收n-1次。𝐸𝑀𝑇𝐸=n∗𝐸𝑇𝑥(𝑘,𝑑=𝑟)+(𝑛−1)∗𝐸𝑅𝑥(𝑘)=𝑛(𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐∗𝑘+𝜖𝑎𝑚𝑝∗𝑘∗𝑟2)+(𝑛−1)∗𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐∗𝑘=𝑘((2𝑛−1)𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐+𝜖𝑎𝑚𝑝𝑛𝑟2)(6)因此，当：𝐸direct𝐸𝑀𝑇𝐸𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐+𝜖𝑎𝑚𝑝𝑛2𝑟2(2𝑛−1)𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐+𝜖𝑎𝑚𝑝𝑛𝑟2𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐𝜖𝑎𝑚𝑝𝑟2𝑛2(7)时直接通信比MTE路由需要更少的能量。使用公式1-6和图3所示的随机放置的100个结点的网络，我们使用MATLAB仿真了从每一个结点到基站（位于离最近的结点100m处，坐标为（x=0,y=-100））的数据传输。图4显示了当网络直径从10m×10m增加到100m×100m，以及无线电能量消耗从10nJ/bit增加到100nJ/bit时的总体能量消耗，该方案中每个结点有2000bit的数据包要向基站传输。这表明，正如我们之前的分析所预测的，当传输能量与接收能量相当时，同时当通信距离很短并且/或者无线电能耗很大时，在全局的层面，直接传输比MTE路由更加能量高效。因此如何使用最为能量高效的协议，取决于网络拓扑以及系统的无线电参数。显然，在MTE路由中，距离基站最近的结点将被用来向基站转发大量的数据信息。因此这类结点会快速地死亡，导致将剩余数据传输至基站所需的能量增加，以及更多的结点死去。这将产生一种瀑布效应，从而导致系统寿命的缩短。此外，随第22届夏威夷系统科学国际会议录着距离基站近的结点死去，这部分环境区域也不再能够被监视了。为了证明这一观点，我们使用如图3所示的100个结点的网络来进行了模拟仿真，在每一步或者每一“轮”仿真中，每个结点要向基站发送2000bit的数据包。当一个给定的结点中的能量消耗达到一个设定的门限时，这个结点就被仿真中的其它结点认为是死亡的。图5呈现了当结点初始能量为0.5J时，分别在直接通信和MTE协议的情况下每一轮后依然存活的结点数。图6表明了在MTE路由中距离基站最近的结点是最早死亡的，而在直接传输时距离基站最远的结点最早死亡。这与预测是一致的，因为在MTE路由中距离基站近的结点是最多被用来作为其它结点数据的“路由器”的，在直接传输时距离基站最远的结点需要最大的传输能量。图3.100个结点的随机网络图4.在100个结点的随机网络中，使用直接通信和MTE路由（即𝑬𝐝𝐢𝐫𝐞𝐜𝐭和𝑬𝑴𝑻𝑬）的全部能量消耗。𝝐𝒂𝒎𝒑=𝟏𝟎𝟎𝐩𝐉𝐛𝐢𝐭/𝒎𝟐，传输信息为2000bits。图5.在每个结点能量为0.5J时，使用直接传输和MTE路由的系统寿命。最后一个无线网络中的传统协议是分簇，该协议中结点被组织成簇，簇内使用本地基站来进行通信，这些本地基站将数据传输到全局基站，从而能够被终端用户访问。这样大量减少了需要远处的结点来传输数据，因为典型的本地基站距