基于OMNET++的leach協議的仿真與改進

高 宏，劉開華，潘 勇

（天津大學 電子信息與工程學院，天津 300072）

近年來，無線傳感器網絡 （Wireless Sensor Networks，WSN）技術在各個行業領域都有著較快的發展。這一技術結合了現有的多種先進技術，為人們提供了一種全新的獲取信息，處理信息的途徑。例如：醫療監測，環境檢測，工業控制等。

無線傳感器網絡[1]是一種由傳感器節點構成的網絡，它的特點是傳感節點數目多，易失效，通信能力有限，電源能量有限。根據無線傳感器網絡的特點分析得出，降低能耗和延長網絡生命周期是無限傳感器網絡的關鍵性能指標。在目前的研究中發現，采用分簇的路由算法是高效降低能耗，延長網絡壽命的有效途徑之一。文中對無線傳感器網絡分簇協議LEACH（低功耗自適應分簇協議）進行了深入的研究，本文針對LEACH協議中的簇頭選擇算法提出了改進。

1 LEACH協議

LEACH算法[2]是一種以循環的方式隨及選擇簇首節點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個節點上，從而降低能耗，延長網絡的生存時間。LEACH協議定義了“輪”的概念，每一輪由初始化和穩定工作兩個階段，即簇頭的選擇階段和傳輸數據階段[3]。LEACH協議以循環的方式隨機選擇簇首節點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中，從而達到降低網絡能源消耗、提高網絡整體生存時間的目的.在LEACH協議中，同普通成員節點相比，簇首節點的負載較大，能量消耗較快.為平衡網絡各節點的能耗、避免簇首節點過早死亡，采用 TDMA時分復用方式（Time Division Multiple Access，TDMA）周期按輪（round）選舉簇首的原則，每一輪的執行可以分為兩個階段，即簇的初始化階段和穩定的數據通信階段.簇的初始化階段主要是選舉簇頭節點，其他節點決定加入哪個簇，然后建立 TDMA列表.為了減少頻繁的重建簇造成的能量消耗，簇建立完成后，會進入穩定的數據通信階段，需要通信的節點會繼續提供收發數據的服務，不需要的節點就會進入休眠狀態，以便節省能量.簇頭選舉的閾值公式為：

在簇的建立過程中，每個節點隨機產生一個（0，1）之間的隨機數，如果產生的隨機數小于閾值T（n），該節點將成為簇頭節點。其中r代表當前循環到第r輪，P代表預期簇頭節點的個數與該輪總的節點數比值，T（n）代表當前的第n個節點的閾值，G是在最后的1/P輪中未成為簇頭節點的節點集。

LEACH協議的優點有，它采用了隨機選舉簇首的方式避免了簇首過分消耗能量，采用數據融合則有效的減少了通信量，因此比一般的靜態算法網絡周期延長了。但是LEACH協議存在的問題有：1）當一個節點被選為簇首時，能負擔的節點是有限的[4]，不能因為單純的因為距離近就加入，這樣有可能造成簇首節點的高能耗，從而導致網絡提前死亡。2）由于每輪被分成初始化和穩定兩個階段，而初始化耗能較大，應盡量延長穩定傳輸數據的階段。3）簇頭選擇的個數也應該是動態的，并且能量低于一定值時是不可以被選為簇首的[5]。

2 改進的LEACH協議

針對上述存在的問題，本文對簇頭選擇算法做出了改進。首先，以基站為圓心，以r為半徑，在將節點網絡劃分成N個小網絡。設網絡的長和寬均為L。其中N=L/r。如圖1所示。

圖1 節點分布圖Fig.1 Distribution of all notes

當區域劃分完成后，基站會用廣播的形式通知各個節點所處在哪個小網絡中。我們可以利用正態分布函數來計算哪個區域的節點最適合當簇頭。如式:

其中，Pi是代表在某一個區域內，該區域節點當選簇頭的概率。概率越高被選成為簇頭的幾率就越大。

但由于要考慮到簇頭能量低于一定值時是不可以選為簇頭的，所以簇頭的選擇方法上加入了剩余能量和初始能量的比值[6]。由此得出閾值T（n）的方法改進：

上式中，Ec代表當前節點剩余能量，En代表當前節點的初始能量。

3 仿真分析

本文采用OMNET++做為仿真工具進行實驗。對原始的LEACH和改進后的LEACH做了對比實驗。實驗中所采用的物理模型與上文中提及的LEACH物理模型相同。

本仿真實驗采用的參數如表1所示。

表1 實驗仿真參數Tab.1 Parameters of the simulation

在OMNET++下所模擬的網絡模型如圖2所示。

圖2 節點第一次選完簇頭并傳輸的過程Fig.2 Process of the notes transmission

本實驗中節點數目為100個，隨機分布在（200，200）的區域內。本實驗采用了兩種不同基站的位置，來衡量原LEACH和改進LEACH的性能好壞。

基站在（0，0）下，對兩種協議的網絡運行輪數進行了實驗，如圖3和圖4所示。

圖3 原LEACH協議的網絡模型Fig.3 Network of the original Leach

通過這兩個仿真圖的對比，可以得出的結論：經過改進的LEACH協議，比原LEACH協議延長了網絡生命周期，并且可以清楚的看出改進的協議中出現死亡節點的輪數要多一些，并且半死亡節點的時間也要長一些。在基站位置較偏的情況下，發現改進的LEACH協議對延長網絡壽命有一定的作用。

圖4 改進的LEACH協議的網絡模型Fig.4 Network of the improve Leach

基站在（100，100）下，對兩種協議的網絡運行輪數進行了實驗，如圖5和圖6所示。

圖5 原LEACH協議的網絡模型Fig.5 Network of the original

圖6 改進的LEACH協議的網絡模型Fig.6 Network of the improve Leach

通過5，6兩個仿真圖的對比，得出的結論：在基站的位置位于正中間時，對網絡整體壽命都有延長的作用，但相比較來看，改進的LEACH協議，節點死亡的時間要慢一些，這可以充分的進行傳輸信息。經過改進的LEACH[7-8]協議節點死亡率明顯下降，網絡衰減不明顯，網絡壽命明顯延長。

通過3和5，4和6的仿真圖對比，得出的結論是，基站的位置也決定了網絡的衰減情況，基站離網絡節點近時，節點衰亡率較慢，網絡周期會有所延長。相反，基站遠離網絡節點時，節點衰亡率較快，網絡周期較短。

4 結束語

上述仿真結果會存在一定的隨機性，但隨機性不會對本實驗結果產生較大的影響，故可以得出，進過改進的簇頭協議比原LEACH協議能更好的利用網絡的資源，較大程度的提高了能量的利用率，增加了無線網絡運行的時間。

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