無線傳感器網絡LEACH算法的改進

王浩

摘要：本文提出了一種LEACH協議的改進協議（L-LEACH）。這是一種有效的路由協議，可以延長電池的使用壽命。L-LEACH考慮剩余能量和簇頭選擇，并為WSN提供節能傳輸方案。與傳統的LEACH協議相比，所提出的方法在活節點數，能量耗散，消息成本方面提供了更好的結果。

關鍵詞：能源管理；節能方法；無線傳感器網絡；LEACH；簇頭選擇

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0137-01

1 LEACH協議概述

由于使用大量小型和低成本傳感器節點的可行性，無線傳感器網絡（WSN）已被許多研究人員所關注。典型的無線傳感器網絡由大量電池供電的傳感器節點組成，這些節點用于監視和收集有關本地區域的數據，并將數據報告給匯聚節點（基站）進行分析。WSN廣泛應用于監控環境，軍事，工業，安全，家庭應用和醫療保健等領域[1]。

LEACH是一種分層的跨層協議架構，它將媒體訪問與路由相結合，收集數據并將數據傳輸到基站。為了獲得低能耗，增加網絡生命周期，LEACH使用包含許多迭代的分層方法。每次迭代包括設置階段和穩定數據傳輸階段[2]。在設置階段從所有傳感器節點隨機選擇簇頭，并動態創建多個簇。在穩定數據傳輸階段，每個集群中的成員節點將數據傳輸到它們自己的簇頭。從成員節點接收的數據被壓縮并將壓縮數據發送到匯聚節點。

2 簇頭選擇

每個傳感器節點產生一個0到1之間的隨機數，然后與LEACH協議的公式產生的閾值T（n）做比較，若小于T（n），那么該節點可能當選為簇頭。如果最終當選為簇頭，則廣播消息告知其它節點，等待其它非簇頭節點的加入。

式中，p為簇首的比例，r表示網絡當前運行的輪數，G表示在最后的1/p輪中還沒有成為簇首節點的集合。在r=0時，每個節點都以p的概率成為簇頭，經過1/p-1輪后閾值變為1。

3 網絡能耗模型

LEACH算法的能耗模型為：

（2）

（3）

是發送k比特數據、傳輸距離d的能耗，則是接收k比特數據的能耗。

4 LEACH協議的缺點

與一般的平面多跳路由協議和靜態分層算法相比，LEACH協議能夠延長15%的網絡周期，但仍有一些缺點：（1）LEACH協議假定所有的節點都可以與基站直接通信，所以它不能應用于大規模無線傳感器網絡中[3]。（2）沒有考慮節點所剩余的能量，采取隨機選擇簇頭的方式，導致能量低的節點也能被當選為簇頭，加速節點的死亡。（3）不考慮簇頭節點與匯聚節點的距離，當簇頭離匯聚節點很遠時仍采用單跳通信的方式，導致節點消耗大量能量。

5 改進的L-LEACH協議

改進后的L-LEACH協議考慮加入節點至匯聚節點的距離以及節點當前剩余能量這兩個因素。其中，新算法的建立和穩定傳輸階段與傳統LEACH算法大致相同，主要是在選擇簇頭時加入兩個新因子以平衡簇頭的選擇。

5.1 間距因子

無線傳輸的發射功率和接收功率的關系為：，PT是發射功率，PR是接收功率，r是傳輸距離，n為傳輸因子。可以看出接收功率和傳輸距離成反比，也就是說節點距離匯聚節點越遠，接收到的信號就越弱。由此，匯聚節點可以通過自身接收到的最弱信號得知與其距離最遠的點，記其至匯聚節點的距離為dmax。記傳感器網絡中每個節點與匯聚節點的距離為di，同樣，這些信息可以通過和匯聚節點間的通信得知。那么間距因子則為：。di為當前節點到匯聚節點的距離，dmax則為所有節點至匯聚節點的最遠距離。若節點與匯聚節點的距離過遠，比如大于能耗模型中的d0，那么其傳輸能耗將會消耗更多能量，此時應使該節點被選為簇頭的概率有所降低。

5.2 能量因子

網絡剛部署時各節點剩余能量大致相同，但隨著時間流逝，各節點剩余能量參差不齊，這時候就要盡量選擇剩余能量高的節點作為簇頭。記當前節點能量為Ei，所有節點初始能量為Emax.。則能量因子為：。這樣會使剩余能量過低的節點當選為簇頭的概率相應降低。

6 結語

本文在考慮了距離因素和剩余能量因素后，提出了一種基于LEACH協議的改進協議L-LEACH。該協議可以降低能量消耗，提高能量效率，延長無線傳感器網絡存活時間。具有實際意義。除此之外，可以考慮在如何均勻分簇這一點上多下功夫，以期獲得更好的結果。

參考文獻

[1] Liao Q， Zhu H.An Energy Balanced Clustering Algorithm Based on LEACH Protocol[J].Applied Mechanics & Materials，2013，341-342：1138-1143.

[2] Zeydan E，Kivanc D，Comaniciu C，et al.Energy-efficient routing for correlated data in wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2012，10（6）：962-975.

[3] Arumugam G S，Ponnuchamy T.EE-LEACH： development of energy-efficient LEACH Protocol for data gathering in WSN[J].Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking，2015，2015（1）：1-9.

Abstract：This paper proposes an improved protocol for LEACH protocol （L-LEACH）. This is an effective routing protocol that extends battery life. L-LEACH considers residual energy and cluster head selection and provides an energy efficient transmission scheme for WSN. Compared with the traditional LEACH protocol， the proposed method provides better results in terms of the number of live nodes， energy dissipation， and message cost.

Key words：energy management；energy saving method；wireless sensor network；LEACH； cluster head selection