無線傳感器網絡LEACH算法改進及其仿真

孫鵬飛

(西安郵電大學，陜西 西安 710061)

0 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks,WSNs）是由眾多傳感器節點以多跳自組織的方式形成的分布式網絡系統。其在許多領域內有著廣闊的應用前景，已成為國內外學者的研究熱點之一[1-3]。但傳感器節點有其自身的局限性，比如計算能力弱、電池能量少等。如何減少節點使用能量延長網絡生命周期是WSNs路由協議設計的一個重要目標。

路由協議是WSNs一項關鍵技術，完成的是數據傳輸任務。低功耗自適應聚類（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH）是一種基于分簇的能量有效路由協議。其思想是網絡周期性隨機選擇簇頭節點，其它節點以就近原則加入相應的簇頭，形成虛擬簇。簇內節點將感知到的數據直接發送給簇頭，簇頭節點將本簇內的數據融合后以一跳的方式傳輸給Sink節點。分層路由的優點擴展性好，能夠應用于大規模WSNs中。但是該算法中簇頭節點是隨機選取的，針對該算法的不足,本文提出了改進的LEACH路由算法(LEACH-EC)。LEACH-EC算法在選取簇頭節點時考慮了節點的剩余能量和節點的分布位置，選擇剩余能量多、且周圍傳感器節點分布密集的節點作為簇頭節點，盡可能選取較優的節點作為簇頭節點，達到延長無線傳感器網絡壽命的目的。

1 LEACH算法

1.1 LEACH算法描述

LEACH分為兩個階段：啟動階段和穩定階段。在啟動階段，隨機選擇產生簇頭節點，每個傳感器節點選擇[0，1]之間的一個隨機數，如果選定的值小于給定閾值T（n），則該節點在本輪中被選取為簇頭節點，簇內節點以就近原則加入相應的簇頭，形成虛擬簇。

穩定數據通信階段，簇內節點與簇頭節點通信，簇頭將簇內節點的數據融合后直接發送給Sink節點。因為簇內節點離簇頭節點較近，且可以進行數據融合，所以比簇內節點直接將數據發送給Sink節點能量消耗要少很多，同時減少了網絡數據量。但簇頭節點由于消耗了過多能量，易導致過早死亡，為了避免這種局面，需要定期更換簇頭節點。

1.2 LEACH路由協議存在的問題

LEACH協議具有很多優點，但LEACH仍有不足之處：

（1）LEACH協議在啟動階段選取簇頭時并未考慮節點的剩余能量[3]，剩余能量少的節點應少活動，多休眠，剩余能量多的節點應多活動，以較大的概率當選為簇頭節點，這樣網絡能耗負載更加均衡，網絡壽命更長。

（2）傳感器節點大面積隨機播撒而成，容易出現節點分布不均勻的現象，簇頭節點應盡可能選在節點分布較密、周圍鄰居較多的區域。

2 LEACH-EC路由協議

針對LEACH路由協議存在的上述缺點，本文在簇頭選取上進行了改進。以平衡網絡總能量消耗，延長網絡壽命為主要設計目標，提出了一種改進的路由協議——基于LEACH的簇頭選取改進協議（LEACH-EC）。改進后的LEACH-EC協議與LEACH協議思想一樣，仍然使用輪的概念，每個輪回分為兩個階段：簇的建立和穩定的數據傳輸階段，穩定數據傳輸階段的持續時間要大于簇建立所需的時間。

LEACH協議中簇頭節點隨機選取，為了選出周圍節點分布較密，鄰居節點較多的簇頭節點。我們引入節點集中度的概念。假定無線傳感器網絡中的任意一節點N的通信半徑為R，假設該節點有j個鄰居節點，且這j個鄰居節點與該節點N的距離為di,則節點N的集中度為

為了確保網絡中節點負載均衡，在簇頭選取時不得不考慮節點的剩余能量，節點剩余能量多的節點以較高的概率當選為簇頭節點。所以，將節點的剩余能量引入閥值T（n）的計算公式中，由此得到改進后的T（n）的公式計算如下：

其中：Eresidual為節點的剩余能量，Einitial為節點的初始能量。0≦w1≦1,0≦w2≦1,且 w1+w2=1。

公式（1）中，di越小意味著與鄰居節點距離越近，j越大意味著該節點有著更多的鄰居節點，周圍傳感器節點分布較為密集。 di值越小，j越大，則該節點集中度C的值將會越大。由公式（2）得出，節點剩余能量多、集中度高的節點相應的T（n）也會較大，節點將以高概率選取為簇頭節點。隨著輪數的進行，分布較密區域的節點的剩余能量逐漸降低，T（n）的值也會慢慢變小，而分布稀疏區域中的節點由于前期未當選為簇頭節點，剩余能量較多，T（n）的值將會慢慢變大，也會以高概率當選為簇頭節點，T（n）的值由節點的剩余能量和節點的集中度共同影響。因此網絡能耗負載更加均衡，有效的延長了網絡的生存時間。

3 仿真結果

3.1 仿真模型

為了評價LEACH-EC協議的性能，與LEACH協議做了性能比較，實驗中以Visual C++6.0作為仿真平臺。節點初始能量0.5J，節點總數為400個，Sink位置為(300.400)。

3.2 性能指標

在無線傳感器網絡的仿真中，根據不同的需求需要不同的指標參數，改進的協議是以平衡所有節點的總的能量消耗，延長網絡的存活時間為主要設計目標，因此，從以下3個指標衡量改進后協議的能量：（1）網絡的存活時間：第一個死亡節點和最后一個死亡節點的時間。（2）存活節點的個數：不同時刻存活節點的個數，反映了網絡整體能量消耗的平衡程度。（3）節點總的剩余能量：不同時刻所有節點剩余能量的總和。

3.3 仿真結果分析

從圖1中可以看出，在第290輪以后，LEACH-EC協議中存活節點的數目總是比LEACH協議中的多。從圖2中可以看出，在不同的輪數中，LEACH-EC協議中節點剩余能量的總和比LEACH協議中的高。因此，無論是網絡的壽命還是所有節點的剩余能量，LEACH-EC協議都優于LEACH協議。

圖1 存活節點數目的比較

圖2 節點總的剩余能量的比較

4 結束語

無線傳感器網絡具有成本低、自組網等特點，在軍事及公共安全，環境監測和交通管理等領域內有著廣泛的應用前景。本文針對LEACH路由協議的不足提出了一種改進的路由協議LEACH-EC，在選取簇頭時考慮了節點的剩余能量和集中度，使簇頭的分布更加合理，從而達到減少成員節點與粗頭節點數據傳輸能量消耗的目的，延長了網絡的壽命。

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