基于距離權重的LEACH協議的改進協議

李曉冬　李淑明　姜玉亭

【摘 要】針對LEACH協議存在的簇頭隨機選擇，未考慮節點與基站距離不同導致節點能量消耗不均衡的問題，提出了一種基于距離權重的改進協議LEACH-D。改進協議在節點當選簇頭的概率閥值中加入距離權重，使距離基站越近的節點當選簇頭的概率越高。仿真表明，改進后的協議有效延長了網絡生存時間，提高了能量有效性。

【關鍵詞】無線傳感器網絡；LEACH協議；距離權重；生存時間；能量有效性

【Abstract】Aiming at the problem that the cluster head is randomly selected in the LEACH protocol， and the node energy consumption is not balanced due to the different distance between the node and the base station， an improved protocol LEACH-D based on distance weight is proposed. The improved protocol adds the distance weight to the probability threshold of cluster head selection， which makes the probability of being chosen as the cluster head is higher if the node is nearer to the base station. Simulation results show that the improved protocol effectively prolongs the network lifetime and improves the energy efficiency.

【Key words】Wireless sensor network；LEACH protocol；Distance weight；Lifetime；Energy efficiency

0 引言

無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）[1]是一種由大量低功率傳感器節點（一般使用電池供電）和基站臨時構建的自組織網絡，該網絡通過傳感器節點監測、采集網絡所在區域的相關信息并發送給基站，再通過基站傳輸給用戶。傳感器節點的能量很有限，但經常被投放于人類難以方便抵達的區域，電池的充電或更換很困難，因此在為無線傳感器網絡設計路由協議時，如何能夠最大限度的節約能量以延長網絡生存時間、獲取更多的監測數據成為重點需要解決的問題。

對于WSN的路由協議而言，評價其性能的指標有很多，其中最受關注的有以下兩條[2]：

1）網絡的生存時間。無線傳感器網絡的生存時間指的是從網絡開始運行到網絡中所有節點能量全部耗盡所持續的時間，該時間越長越好。

2）能量有效性。無線傳感器網絡的能量有效性指的是網絡節點在有限的能量下能夠收集、處理、發送的數據量，該數據量越大約好。

LEACH協議是主要針對以上兩個指標提出的一種基于多簇結構的分層路由協議[3]，該協議以“輪”的形式周期性的按一定概率隨機選擇簇頭，通過簇頭對簇內節點的數據融合與轉發機制減少了數據的傳輸量和傳輸距離從而提高了能量有效性，同時通過簇頭的輪換，保證了所有節點有相同的機會當選簇頭，在一點程度上保障了網絡能量的均衡性從而增加了網絡的生存時間。有研究表明，相對傳統的以數據為中心的路由協議，LEACH協議可增加15%的網絡生存時間[4]，能量有效性提高4-8倍[3]。

1 LEACH協議分析

LEACH協議以“輪”為周期進行循環運行，每一輪分為簇頭建立和穩定傳輸狀態兩個階段，如圖1所示。

式中：P為節點成為簇頭節點的百分比，r為當前輪數，G為在最近的1/P輪中未當選簇頭的節點集合（即每個節點在1/P輪中只能有一次機會當選簇頭）。LEACH協議的優點前面已敘述，其缺陷在于簇頭的選舉以等概率進行，網絡中每個節點都有相同的機會成為簇頭，這樣看似平等，實際并未考慮節點與基站的距離對協議性能的影響。對于距離基站更遠的節點而言，其與基站通信的能量消耗必然更大，如果這樣的節點仍然以同樣的概率當選簇頭，最終后果就是距離基站越遠的節點越早死亡。對此我們使用matlab軟件對LEACH協議進行了仿真分析，使用的無線能量損耗模型參照文獻[5]，使用的網絡參數為：節點數100，區域200m×200m，基站坐標（100m，100m），控制包長度32bit，數據包長度4000bit，節點初始能量0.5J，Eelec=50nJ/bit，EDA=5nJ/bit，efs=10pJ/bit/m2，emp=0.0013pJ/bit/m4。從圖2知，隨著網絡運行輪數的增加，存活下來的節點與基站的平均距離越來越近，也就是說距離基站越遠的節點死亡時間越早，這符合我們的分析預期。

2 LEACH協議的改進

首先第一輪為臨時輪，臨時輪采用與LEACH協議的運作方式相同，只是發送的數據中加入了每個節點的坐標，這是很容易實現的，只需配備GPS定位即可。當基站在臨時輪接收完網絡中的所有數據后就能知道網絡中所有節點的坐標，基站根據這些數據及自身坐標計算出最近的節點距離Dmin、最遠的節點距離Dmax、及中間距離Dmid=（Dmax-Dmin）/2并將這些信息和基站自己的坐標一起廣播給全網節點，隨后進入正式輪循環：網絡中某個節點n根據自己坐標和基站坐標計算出兩者之間的距離Dn，并以此距離為權重計算出自己所處位置的簇頭百分比P（Dn），由式（2）確定。相應的節點n當選簇頭的閥值T（n）也轉變為式（3），這樣距離基站越遠的節點當選簇頭的概率越低，從而避免了其過早死亡，需要注意的是，G仍然定義為在最近的1/P輪中未當選簇頭的節點集合。

為了評價改進算法的性能，利用matlab對相同狀態下的LEACH協議和LEACH-D協議進行仿真比較。由圖3可知， LEACH協議首個節點死亡的時間為第274輪，LEACH-D協議則為第369輪；50%節點死亡的時間LEACH協議和LEACH-D協議分別為第514輪和第684輪，經過1038輪后LEACH協議全部節點死亡，而LEACH-D協議則延長到了第1250輪，網絡生存時間有了明顯提高。

3 結束語

針對LEACH協議選擇簇頭未考慮節點與基站距離對節點能量消耗不均衡的影響，本文提出了一種基于距離權重的LEACH協議的改進協議，通過仿真可知，改進的LEACH-D協議能夠長網絡生存時間，提高能量有效性。

【參考文獻】

[1]AKYILDIZ I F，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al.Wireless sensor network：A survey[J].Computer Networks，2002，38（4）：393-44.

[2]陳楠.無線傳感器網絡LEACH算法的研究與改進[D].北京郵電大學，2008：16.

[3]HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.Energy-efficient communication protocol for wireless micro sensor networks[C]//Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences.Maui，HI，2000：1-10.

[4]YU Y，ESTRIN D，GOVINDAN R.Geographical and energy-aware routing：A recursive data dissemination protocol for wireless sensor network[R].UCLA-CS TR-01-0023.Los Angeles：University of California，2001：1-11.

[5]Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Trans.Wireless Comm，2002，4（1）：660-670.

[責任編輯：田吉捷]