多跳路由機制的改進LEACH路由協議研究

涂 樸 趙全軍

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多跳路由機制的改進LEACH路由協議研究

涂 樸1趙全軍2

1.四川文理學院達州智能制造產業技術研究院，四川 達州 635000 2.四川文理學院智能制造學院，四川 達州 635000

選擇LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch）協議為重點研究目標。對LEACH協議做了兩點改進：一是對簇頭選舉時的門限值進行了優化；二是引入了簇頭多跳路由機制。最后通過仿真證明了改進方法的有效性，在節省能量消耗和BS的吞吐量性能方面有了明顯的改善。

無線傳感網絡；路由協議；能量損耗；吞吐量

無線傳感器網絡是由低成本，低功率，尺寸小并且具有自組織網絡的一種短距離傳輸傳感器采集的小流量數據。因此網絡節點的能量問題、通信傳輸協助問題、數據融合的安全問題等就顯得尤為重要。如何設計出高效節能的路由協議來延長整個網絡的生命周期成為無線傳感器網絡的核心問題之一。

傳感器網絡的路由協議是與傳統網絡截然不同的。其路由協議設計是很具挑戰性的。本文選擇LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch）協議為重點研究目標[1]。它的基本思想是協議選擇簇頭節點時，采用隨機循環地動態方式，這樣做的目的是希望達到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。

1 LEACH協議

無線傳感網絡的LEACH協議需不斷地循環執行簇重構。每個重構過程分成兩個階段：簇的建立階段和網絡簇傳輸數據的穩定階段。這兩個階段需要穩定階段的持續時間長于建立階段的持續時間，這樣以便于節省資源開銷。

在簇建立階段，將所有節點劃分為若干簇，每個簇選舉一個首領。每個節點選取一個介于0和1之間的隨機數。如果這個數小于計算出來的門限值，該節點成為簇頭領。網絡各個未成為簇頭的節點判斷自身是否成為簇頭，若節點成為簇頭，再向網絡所有節點廣播自己成為簇頭的消息；根據收到廣播信號的強弱，每個節點決定加入哪個簇，然后節點將決定加入簇頭的信息發給簇頭。簇頭采用TDMA方式為每個節點分配時隙并告知節點，節點可以在指定的時隙內向簇頭發送數據，進入簇穩定階段。

在LEACH協議簇穩定階段，簇頭聚合簇內節點發過來的數據并將數據直接傳輸給BS，這種一跳路由這種機制雖然減少了網絡時延，但簇頭消耗能量過大。而且有些簇頭節點距離BS近，有些簇頭節點距離BS遠，這就導致了不同的簇頭節點傳輸數據所消耗能量的差異，離BS遠的節點由于消耗比較大的功率而導致生存時間減短。對于傳感器網絡來說，除了要求網絡中節點能量的平衡消耗外，更要求整體能量消耗最少。

2 LEACH協議改進方案

2.1 對LEACH協議簇形成階段的改進

研究表明，簇頭在LEACH協議中的作用比較重要。由于它要消耗較多的能量，因此LEACH協議選擇簇頭節點時，采用隨機循環地動態方式，這樣做的目的是希望達到將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中。因此，本文從判決門限值值入手，改進方案如下：

2.2對LEACH協議簇穩定階段的改進

傳感器網絡中存在兩種能量損耗模型的：一種是Friss free space model（發送方和接收發距離小于界限值時），一種是Two-Ray Ground model（發送方和接收發距離大于界限值時）。Friss free space model時，能量損耗與成正比；Two-Ray Ground model時，能量損耗與成正比。[2，3]中的多跳路由協議只考慮到這種情況，并未考慮到即距離四次方這種情況，而節點與節點之間距離，節點與BS之間距離大于這種情況在傳感器網絡中是很可能存在的（比如分布區域比較大；隨著節點的死亡，節點之間距離相對加大，從而大于界限值），因此必須要考慮到這種情況。

在實際的網絡拓撲圖中，由于非線性衰減的原因，在傳輸信息過程中，采用中間節點轉發的多跳傳輸能量比以兩節點直接采用大功率傳輸消耗更少的能量。因此滿足這樣條件的一條最優路徑是有可能存在的。若把多跳路由算法適當的應用到LEACH協議中，可以減小整體網絡的能量消耗，延長了網絡的生存時間。盡管多跳路由增加了中轉復雜度，但是考慮到傳感器網絡能量受限的情況下，增加這點復雜度是值得的。因此本文選擇在簇頭之間實現多跳路由機制。

實現多跳路由機制有個前提條件：每個節都可以通過全球衛星定位系統GPS獲得自己的位置坐標[4-5]，并且還可以獲得網絡中其他節點的位置坐標，這樣節點才能計算出到其他節點之間的距離，從而能夠選擇最佳路徑。

3 仿真結果及分析

本文選取50個節點，分別在200m×200m和300m×300m的兩種區域內，對網絡剩余總能量與輪數關系以及得到BS收到的數據與輪數的關系比較進行仿真，結果如下圖1和2所示。

通過圖1仿真結果表明：①隨著分布范圍的擴大，能量損耗急劇增加，這也說明距離對于能量損耗的影響很大；②在網絡開始的很長一段時間內，改進后的協議每輪的平均能量消耗明顯少于改進前的LEACH協議，這是因為：距離是影響能量損耗的主導因素，而本文采用的簇頭多跳算法使得節點消耗更少的能量，因此改進后協議的整體能量消耗低于LEACH協議。③在總能量接近耗盡時，改進后的協議能量消耗要快于LEACH協議。這是因為：在LEACH協議中，節點距離BS距離較遠的能量損耗快，這些節點可能提前死亡。在總體能量快耗盡時，存活的節點是距離BS較近的一些節點，因此能量消耗速度減緩了；改進后的協議均衡了節點能量消耗，總體能量快耗盡時，存活的節點也包括了距離BS較遠的節點，而距離BS較遠的節點能量消耗要大些。

通過圖2仿真結果表明，改進后協議的吞吐量有了較大的提高，尤其隨著分布區域的擴大，改進后協議BS的吞吐量優勢就特別明顯。這是因為改進后的協議可以均衡整個網絡的能量消耗，因此BS采集到的數據也就明顯提高了。同時也可以看到，分布區域越大，能量損耗的越快，網絡的生存期就越短，所以BS接收到的有效信息量就越少了。

4 總結

本文分別對改進后的LEACH協議和LEACH協議進行仿真、比較分析。仿真中，分別在200 m×200 m和300 m×300 m兩種分布區域內進行了網絡總體能量消耗、BS的吞吐量仿真，改進后的協議與LEACH協議的環境參數設置均相同。通過仿真結果表明：改進后的協議與LEACH協議，從節省消耗、BS的吞吐量等方面驗證了本文所提出的改進算法整體性能確實優于LEACH 協議。本文提出的改進算法以犧牲網絡的延遲時間為代價獲得的，但是從整體性能分析來看，付出這一代價是值得的。

[1]Ji P，Wu C，Zhang Y，et al. A low-energy adaptive clustering routing protocol of wireless sensor networks[C]//Wireless Communications，Networking and Mobile Computing（WiCOM），2011 7th International Conference on. IEEE，2011：1-4.

[2]Ettus M. System capacity，latency，and power consumption in multihop-routed SS-CDMA wireless networks[C]//Radio and Wireless Conference，1998. RAWCON 98. 1998 IEEE. IEEE，1998：55-58.

[3]Zhao J，Erdogan A T，Arslan T. A novel application specific network protocol for wirele ss sensor networks[C]//2005 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. IEEE，2005：5894-5897.

[4]Bulusu N，Heidemann J，Estrin D. GPS-less low-cost outdoor localization for very small devices[J]. IEEE personal communications，2000，7（5）：28-34.

[5]Stoleru R，He T，Stankovic J A. Walking GPS：A practical solution for localization in manually deployed wireless sensor networks[C]//Local Computer Networks，2004. 29th Annual IEEE Interna tional Conference on. IEEE，2004：480-489.

Research on Improved LEACH Protocol with Multi hop Routing Mechanism

Tu Pu Zhao Quanjun

1.DaZhou Industrial Technology Institute of Intelligent Manufacturing，Sichuan University of Arts and Science，Sichuan Dazhou 635000 2.School of Intelligent Manufacturing，Sichuan University of Arts and Science，Sichuan Dazhou 635000

In this paper，we choose LEACH protocol as the key research object. The LEACH protocol is improved by two points：first，the threshold value of cluster head election is optimized；Second，the mechanism of cluster head multi hop routing is introduced. Simulation results show that the improved method is effective in saving energy consumption and throughput performance of BS.

wireless sensor network；routing protocol；energy loss；throughput

TP393

A

1009-6434（2016）11-0062-03

涂樸（1984—），女，四川省達州市人，碩士，講師，主要從事無線傳感網、智能控制方向的研究。趙全軍（1981—），男，四川省達州市人，碩士，講師，主要從事無線網絡通信方向的研究。

四川省教育廳項目（14ZB0314）；四川文理學院校級項目（2014Z004Y）。