馬 澤，任力生，王 芳，肖漢英

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071001；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察右后旗園林局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012400）

關(guān) 鍵 字：WSN 網(wǎng)絡(luò)；LEACH 協(xié)議；生命周期；護(hù)林防火

對(duì)人類來說，森林是實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分，可以說，森林是協(xié)調(diào)人類社會(huì)和生態(tài)平衡的紐帶。森林可以調(diào)節(jié)自然的生態(tài)平衡，被稱為“地球的肺”。它不但為人類生產(chǎn)和生活提供了各種各樣的原材料，而且極大地緩解了人類開發(fā)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞［1］。森林肩負(fù)著許多歷史使命，如保護(hù)自然生態(tài)體系、凈化空氣質(zhì)量、保證地球物種多樣性等。盡管中國(guó)森林覆蓋率呈上升趨勢(shì)，但仍不能滿足生態(tài)平衡。如何合理地保護(hù)和利用森林資源將是擺在人們眼前的1 個(gè)重要的問題。護(hù)林防火作為林業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中最重要的環(huán)節(jié)之一，越來越受到國(guó)家和社會(huì)的重視，對(duì)我國(guó)林業(yè)發(fā)展和環(huán)境安全起到了積極的推動(dòng)作用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)是信息獲取的重要手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成千上百的傳感器節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)基站組成，將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在指定的監(jiān)視區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)之間通過相互協(xié)作，來采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合傳遞給基站，傳遞到基站后，基站將數(shù)據(jù)分類并通過互聯(lián)網(wǎng)將其發(fā)送給客戶端，從而完成用戶對(duì)傳感區(qū)域的監(jiān)視［2-3］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低，自組織，可靠性高，維護(hù)管理方便，布線自由，數(shù)量大等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在護(hù)林防火中具有巨大的潛在應(yīng)用。

在現(xiàn)階段，護(hù)林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還不夠完善，仍然面臨許多問題［4］。由于林業(yè)環(huán)境復(fù)雜、面積大且樹木分布不均，森林高度動(dòng)態(tài)變化、信號(hào)易遮擋等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署困難，維護(hù)成本高，網(wǎng)絡(luò)缺乏靈活性和可擴(kuò)展性，因此現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不適合于森林火災(zāi)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決這些問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成本低，可以隨機(jī)部署，即使在人類無法到達(dá)的深林也可以采用利用飛機(jī)或者無人機(jī)進(jìn)行部署，降低了人力成本。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性好，抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)林區(qū)節(jié)點(diǎn)部署完畢以后，傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的形式形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與傳輸。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)能量消耗殆盡或者有新的節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)又會(huì)重新組織拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到護(hù)林防火系統(tǒng)是必要的。

但是由于林區(qū)環(huán)境復(fù)雜，無法部署固定電源，因此傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電池供電［5］，一旦將節(jié)點(diǎn)部署，就很難再次更換電池，因此，WSN 的節(jié)點(diǎn)能耗問題一直是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。雖然有專家提出利用太陽能設(shè)備可以解決WSN 中傳感器的電池壽命問題［6］，但是在森林中，樹木茂密并且高大，太陽光很難透過樹葉到達(dá)傳感器節(jié)點(diǎn)，所以，設(shè)計(jì)低功耗、高效節(jié)能的路由協(xié)議是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用在森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的的重中之重。

1 LEACH 路由協(xié)議介紹

LEACH 協(xié)議是WSN 中最早的分簇路由協(xié)議［7-8］，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示。目前大多數(shù)分層協(xié)議都源自LEACH 協(xié)議，通過在LEACH 協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行算法的改進(jìn)，數(shù)據(jù)融合等一系列的操作。

圖1 LEACH 協(xié)議模型Fig.1 LEACH protocol model

1.1 LEACH 協(xié)議的運(yùn)行過程

LEACH 協(xié)議以“輪次”的方式運(yùn)行。每輪次包括2 個(gè)階段：第一階段是簇首節(jié)點(diǎn)的建立，第二階段是穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。

在簇首建立階段，首先要對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)以及基站進(jìn)行初始化，所有節(jié)點(diǎn)要將節(jié)點(diǎn)本身的信息發(fā)送到基站，用于基站來隨機(jī)選擇簇首。LEACH 協(xié)議簇首競(jìng)選方法為［9］：節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生1 個(gè)0 到1 之間的數(shù)字，如果這個(gè)數(shù)字的值小于閾值T(n)，則該節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇首節(jié)點(diǎn)的消息。T(n)如公式(1)所示：

其中P是簇首在所有節(jié)點(diǎn)中所占的百分比，r是選擇輪次，rmod(1/P)表示在該輪開始之前已經(jīng)當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，G是沒有當(dāng)選過簇首節(jié)點(diǎn)的集合。如果節(jié)點(diǎn)在上一輪r循環(huán)中它成為簇首節(jié)點(diǎn)，它將不再能夠在以后的(1/P)輪中重新當(dāng)選，這增加了其他節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的可能性。在(1/P)回合之后，所有節(jié)點(diǎn)都有可能一次又一次地將P用作選擇簇首節(jié)點(diǎn)的概率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首節(jié)點(diǎn)后，會(huì)以廣播的方式發(fā)布消息，告知其他非簇首節(jié)點(diǎn)自己已經(jīng)成為簇首節(jié)點(diǎn)的消息，非簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)接收到的信號(hào)的強(qiáng)度決定要加入哪個(gè)分簇，并將消息發(fā)送回相應(yīng)的簇首。簇首節(jié)點(diǎn)基于時(shí)分多址(TDMA)為每個(gè)簇中的非簇頭節(jié)點(diǎn)分配通訊時(shí)間，節(jié)點(diǎn)只有在自己傳輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸［10］。

在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定階段，簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)以最小功率將數(shù)據(jù)發(fā)送到正在通訊的簇首，以節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，在等待下一個(gè)所分配的時(shí)間間隙到來之前，節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待再次被喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。收集完所有數(shù)據(jù)后，簇首將簇內(nèi)成員發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過融合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，將結(jié)果匯總后發(fā)送給基站，最后基站將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心［10-11］，本輪結(jié)束以后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)重新再次選擇簇首節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上面的步驟。為了最小化功耗，穩(wěn)定工作階段的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簇首建立階段。

1.2 LEACH 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型與能量模型

在簇首選舉采集轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，首先定義整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行定義：

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻且隨機(jī)地分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域；

(2)所有節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是同質(zhì)的（即相同的傳感和通信能力以及相同的能源）；

(3)一旦傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)放置，所有傳感器節(jié)點(diǎn)和基站(BS)在其整個(gè)生命周期內(nèi)都不會(huì)移動(dòng)；

(4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)計(jì)算其剩余能量。

LEACH 協(xié)議采用的是一階無線電能量模型，如圖2 所示：

圖2 一階無線電模型Fig.2 First-order radio model

假設(shè)在L×L監(jiān)視環(huán)境中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)和n個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)。每個(gè)簇中包含N/n個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括簇首節(jié)點(diǎn)和(N/n)-1 個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。根據(jù)一階無線電模型［12］，可以通過公式(2)計(jì)算出發(fā)送m位數(shù)據(jù)的能耗ETX為：

其中，Eelec表示無線電發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)編碼，調(diào)制解調(diào)等所消耗的能量，而εamp和εfx是放大器的增益，與信道的通信模型有關(guān)。當(dāng)d≤d0時(shí)，能量消耗與距離的平方成正比［13］，此時(shí)采用自由空間信道模型，當(dāng)d＞d0時(shí)，能量消耗與距離的4 次方成正比，此時(shí)采用多徑衰落信道模型。

接收1 個(gè)mbit 信號(hào)所消耗的總能量為ERX：

d0的表示方法為：

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時(shí)候，所需要的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)候的能量。因此本文在計(jì)算時(shí)，僅考慮傳感器節(jié)點(diǎn)在通信階段所消耗的能量。

1.3 LEACH 協(xié)議的不足

LEACH 協(xié)議作為最早被提出的分簇路由協(xié)議，還是存在著一定的不足之處：

(1)簇首節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性［14］。在簇首選擇的過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首節(jié)點(diǎn)的幾率是一樣的，這就會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過幾輪以后，剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)與剩余能量較低簇首選舉的概率是一樣的，如果此時(shí)，經(jīng)過計(jì)算選擇，剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)再次被選舉為簇首節(jié)點(diǎn)，那整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性與生命周期都會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)宕機(jī)。

(2)未考慮最佳簇首數(shù)目。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇?cái)?shù)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗是有影響的。如果網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點(diǎn)過多，則會(huì)增加簇首節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的通信能耗，同時(shí)，在簇首節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)通信的過程中會(huì)產(chǎn)生信道競(jìng)爭(zhēng)以及信號(hào)干擾的問題［15］；如果網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)目過少，則網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)存在很大的簇，簇內(nèi)會(huì)有大量的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要與簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，簇首節(jié)點(diǎn)的能量消耗就會(huì)增大，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的能耗不均衡，縮短網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

(3)LEACH 協(xié)議采用的是單跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，簇首節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離會(huì)影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的能耗。如果有些網(wǎng)絡(luò)分簇的簇首節(jié)點(diǎn)與基站的位置過遠(yuǎn)，采用單跳的方式，會(huì)增大能量的消耗，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗不均勻。

2 LEACH-HD 算法介紹

針對(duì)LEACH 協(xié)議存在的不足問題，筆者提出了1 種新的算法LEACH-HD，該算法在簇首選舉過程中，通過確定計(jì)算最佳簇的數(shù)目以及在選舉公式中加入了剩余能量因子與平均距離因子，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗更加均衡化，簇首節(jié)點(diǎn)的選擇更加合理化，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 最佳簇的計(jì)算

由于該算法是在LEACH 算法上進(jìn)行改進(jìn)，則網(wǎng)絡(luò)模型與LEACH 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型一致，在1.2 節(jié)已經(jīng)描述過，這里就不在贅述。

簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)目在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期中起著重要的作用［16-19］。對(duì)于LEACH-HD 協(xié)議來說，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，如果分簇的數(shù)量不一樣，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗可能也會(huì)存在差異，所以通過計(jì)算得出網(wǎng)絡(luò)中最佳簇的個(gè)數(shù)非常重要。假設(shè)在L×L監(jiān)視環(huán)境中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)和n個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)。每個(gè)簇中有N/n個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括簇首節(jié)點(diǎn)和(N/n)-1 個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。根據(jù)一階無線電模型，第一次發(fā)送和接收m位數(shù)據(jù)能耗ECH可以表示為［20］：

一次數(shù)據(jù)的傳輸需要經(jīng)過m次發(fā)送操作與(m-1)次接收操作，其中m是1 次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；EDA是簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融所消耗的能耗，而dsink是簇頭與基站之間的距離。數(shù)據(jù)傳輸中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗ENn為：

其中dx是非簇頭節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)之間的距離。

考慮到數(shù)據(jù)發(fā)送和接收所需的能量，簇頭的能量消耗以及ADV 的能量消耗，可以得出總能量消耗ETotal：

根據(jù)節(jié)能目的，最佳簇?cái)?shù)量為：

2.2 簇頭選擇機(jī)制

與LEACH 協(xié)議類似，LEACH-HD 同樣在“輪次”的基礎(chǔ)上運(yùn)行。每輪仍分為簇頭的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。但是區(qū)別在于LEACH-HD 改進(jìn)了簇頭閾值的選擇。LEACH 協(xié)議使用隨機(jī)數(shù)并使用公式(1)計(jì)算閾值。因此，存在諸如簇首選擇不均勻的問題，并且在計(jì)算過程中，會(huì)選擇剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)為簇首節(jié)點(diǎn)，降低網(wǎng)絡(luò)壽命。在LEACH-HD 中，筆者考慮節(jié)點(diǎn)的是剩余能量和網(wǎng)絡(luò)的剩余能量。每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇1 個(gè)介于0 和1 之間的隨機(jī)數(shù)來選擇簇頭。為了使節(jié)點(diǎn)成為簇首，節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離必須小于從所有節(jié)點(diǎn)到基站位置的平均距離，并且其隨機(jī)數(shù)必須小于以下閾值：

其中，P是簇首在所有節(jié)點(diǎn)中所占的百分比，r是選擇輪次，n是區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。G是上一輪未成為簇首的節(jié)點(diǎn)的集合，Er是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，ERemain是網(wǎng)絡(luò)中所有存活節(jié)點(diǎn)的剩余能量的總和，即：

DitoBS是節(jié)點(diǎn)到基站之間的距離，而Davg是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均距離，即：

α與β是權(quán)重，并且α+β=1。LEACH-HD 通過將加入節(jié)點(diǎn)的剩余能量因素和距離因素計(jì)算出閾值，從而改善了簇首節(jié)點(diǎn)的選取機(jī)制。如果該節(jié)點(diǎn)可以滿足上述要求，則該節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為本輪的簇首節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)通過廣播的方式向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己成為簇首節(jié)點(diǎn)的消息，非簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)廣播信號(hào)的強(qiáng)度決定加入哪個(gè)分簇。在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首節(jié)點(diǎn)以時(shí)分復(fù)用的方式為簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)分配通通信的時(shí)間，非簇頭節(jié)點(diǎn)在簇頭節(jié)點(diǎn)為自己分配的通信時(shí)隙向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，不在通訊時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，接收到所有數(shù)據(jù)后，簇頭節(jié)點(diǎn)將匯總數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到接收器節(jié)點(diǎn)。LEACH-HD 的運(yùn)行過程如圖3 所示：

圖3 LEACH-HD 的運(yùn)行過程Fig.3 The operating process of LEACH-HD

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 NS-2 仿真工具

NS-2 是1 個(gè)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)模擬器［21］，實(shí)質(zhì)上是1 個(gè)離散事件模擬器，所有仿真模擬都是由離散事件驅(qū)動(dòng)的,它支持大規(guī)模的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真，為相同的仿真模型提供不同的仿真實(shí)現(xiàn)；它提供1 個(gè)仿真接口，可以將真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量輸入到仿真模型中的節(jié)點(diǎn)中，從而同步仿真真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的行為；提供可視化工具，對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真過程進(jìn)行動(dòng)畫處理，以圖形方式顯示數(shù)據(jù)結(jié)果等。

3.2 結(jié)果分析

該部分采用NS-2 仿真工具對(duì)LEACH 協(xié)議，基于位置信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議HRBGR 算法［22］和基于最短有效轉(zhuǎn)發(fā)距離的多跳路由算法RDMC［23］協(xié)議與LEACH-HD 協(xié)議進(jìn)行了的技術(shù)的性能評(píng)估。最后，仿真從節(jié)點(diǎn)存活方面，Sink 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收方面，網(wǎng)絡(luò)能量的消耗方面，闡明了LEACH-HD 算法的優(yōu)越性。首先，在網(wǎng)絡(luò)中配置參數(shù)（表1）：

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域的隨機(jī)分布圖見圖4。

圖4 節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.4 Node distribution map

在LEACH-HD 協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)性能隨簇?cái)?shù)量的不同而不同。圖5 顯示了死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)與分簇?cái)?shù)隨時(shí)間之間的變化曲線。

當(dāng)n=5 時(shí)，整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有許多存活節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行410 s 后，死節(jié)點(diǎn)開始出現(xiàn)，并且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行700 s 后，存活節(jié)點(diǎn)為0，網(wǎng)絡(luò)無法工作；當(dāng)n為其他值時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量會(huì)減少得更早，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)提早進(jìn)入癱瘓期，因此在模擬實(shí)驗(yàn)中n=5。

圖5 n 值和死節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between n value and number of dead nodes

圖6 存活節(jié)點(diǎn)對(duì)比圖Fig.6 Survival node comparison chart

LEACH-HD 協(xié)議Sink 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收量更大。

圖6 是節(jié)點(diǎn)生存期的比較。從圖6 可以看出，LEACH-HD 協(xié)議延長(zhǎng)了第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間。LEACH 大約在390 s 時(shí)就死掉，HRBGR 大約在410 s 的時(shí)候出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，RDMC 在420 s 左右出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，而LEACH-HD 節(jié)點(diǎn)大約在420 s 的時(shí)候，死亡節(jié)點(diǎn)才開始出現(xiàn)，延長(zhǎng)了約7.14%。對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，LEACH 節(jié)點(diǎn)的總死亡時(shí)間約為530 s，HRBGR 是在560 s 左右節(jié)點(diǎn)全部死亡，RDMC 是在580 s 左右整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)全部死亡，LEACH-HD 節(jié)點(diǎn)的總死亡時(shí)間約為610 s。因此，改進(jìn)的LEACH-HD 有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。圖7 顯示了Sink 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收量與時(shí)間的關(guān)系。在協(xié)議運(yùn)行的前期，4 種協(xié)議的匯聚節(jié)點(diǎn)接收量相差無幾，當(dāng)死亡節(jié)點(diǎn)開始出現(xiàn)時(shí)，首先LEACH 協(xié)議的數(shù)據(jù)接收量開始出現(xiàn)拐點(diǎn)狀態(tài)，然后緩慢增長(zhǎng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)全部死亡以后，LEACH 協(xié)議的數(shù)據(jù)接收量達(dá)到1.19×105，HRBGR 協(xié)議的總接收量為1.21×105，RDMC 協(xié)議Sink 節(jié)點(diǎn)的接收量為1.36×105，而LEACH-HD 協(xié)議的ASink 節(jié)點(diǎn)接收量為1.39×105，所以改進(jìn)的LEACH-HD 協(xié)議在數(shù)據(jù)的接收量方面也優(yōu)于其他3 種路由算法。

圖7 Sink 節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison chart of received data by sink rode

LEACH-HD 協(xié)議可以使總能量的消耗時(shí)間更長(zhǎng)。圖8 顯示了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)消耗的能量與網(wǎng)絡(luò)生命周期之間的關(guān)系。

圖8 能量消耗對(duì)比圖Fig.8 Energy consumption comparison chart

從圖中可以看出，LEACH-HD 協(xié)議在在網(wǎng)絡(luò)消耗的總能量方面優(yōu)于其他協(xié)議。在大約530 s 時(shí)，LEACH 算法中網(wǎng)絡(luò)的總能量消耗完畢，HRBGR 在560 s 左右整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量變?yōu)?，RDMC 算法是在580 s 左右，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗殆盡，而LEACHHD 路由算法網(wǎng)絡(luò)的能量在610 s 左右消失，性能表現(xiàn)的更好。這是因?yàn)長(zhǎng)EACH-HD 算法在簇頭選舉中比其他算法的有效性更好，因此在簇頭選舉過程的每一輪中都節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量，從而降低了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能耗。

4 結(jié)論

本研究首先對(duì)森林防火系統(tǒng)區(qū)域的特點(diǎn)和部署場(chǎng)景展開討論，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)LEACH 協(xié)議的分簇思想和特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)模型，詳細(xì)討論了基于距離與節(jié)點(diǎn)剩余能量的LEACH-HD 的設(shè)計(jì)。最后，仿真實(shí)驗(yàn)分析了LEACH-HD 協(xié)議在節(jié)點(diǎn)的存活，數(shù)據(jù)接收量，網(wǎng)絡(luò)壽命方面的優(yōu)越性，對(duì)于森林防火監(jiān)測(cè)具有重要的前瞻性作用。