基于最優(yōu)簇頭數(shù)的LEACH 算法的改進(jìn)

羅丹霞 湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院

1 LEACH 路由協(xié)議

LEACH 路由協(xié)議是分層的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。該算法的基本思想是[1]：在簇生成階段，各節(jié)點(diǎn)（SN）隨機(jī)選取一個(gè)介于（0，1）之間的值，若該值小于閾值T（n），則該節(jié)點(diǎn)成為簇頭(CH)。閾值T（n）的計(jì)算公式如下：

公式1：閾值計(jì)算公式

由于簇頭選取的隨機(jī)性，有以下四個(gè)缺點(diǎn)：

（1）簇頭分布不能保證均衡。（2）每輪簇頭數(shù)量隨機(jī)。（3）簇頭的選取沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。（4）簇頭與BS 通信采用單跳的方式。

2 改進(jìn)后的LEACH-EN 算法原理設(shè)計(jì)

2.1 最優(yōu)簇頭數(shù)的計(jì)算

在 L E A C H 協(xié)議算法中，采用第一順序無線電信道模型。

根據(jù)此模型，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送Kbit 字節(jié)的能量消耗為：

一般認(rèn)為BS 距離節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，所以采用多徑衰減模型即d4進(jìn)行計(jì)算。

每個(gè)非簇頭節(jié)點(diǎn)僅僅需要將自己的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭節(jié)點(diǎn)。由于簇頭節(jié)點(diǎn)和非簇頭節(jié)點(diǎn)間的距離相對(duì)較近，所以能量消耗遵循自由空間衰減信道模型。每個(gè)非簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量為：

這樣，一個(gè)簇在一幀內(nèi)的能耗為

2.2 LEACH-EN 準(zhǔn)備階段

圖1 節(jié)點(diǎn)分布圖

本文采用九宮格區(qū)域劃分法，假設(shè)基站位于區(qū)域上方（50，100）的位置。初始化時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的位置判斷所在方格，保存自身到基站的距離。算法如下：

for i=1：i：n

if(i 的坐標(biāo)位于區(qū)域1)

s(i).area_id=1；

……..

if(i 的坐標(biāo)位于區(qū)域9)

2.3 LEACH_EN 簇頭選舉

為了修正原來算法中簇頭選取沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，結(jié)合最優(yōu)簇頭數(shù)，本文修正簇頭選舉閾值公式2 為：

公式2 改進(jìn)后的閾值公式

簇頭選擇偽碼如下：

IF 輪數(shù)r 為奇數(shù)

For i=1：1：n

If 節(jié)點(diǎn)i 格子編號(hào)在2，6，6，8，5&&節(jié)點(diǎn)i 的剩余能量大于該區(qū)域平均能量&&該區(qū)域未有簇頭

該節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭

Else

For i=1：1：n

If 節(jié)點(diǎn)i 格子編號(hào)在1，3，5，7，9&&節(jié)點(diǎn)i 的剩余能量大于該區(qū)域平均能量&&該區(qū)域未有簇頭 該節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 仿真模型

本文使用MATLAB[5]對(duì)LEACH-EN 進(jìn)行了仿真，并和LEACH協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比，仿真主要參數(shù)如表1：

表1 仿真參數(shù)

數(shù)據(jù)包的大小為2000 bit，簇頭的數(shù)據(jù)壓縮率為 0.7，即有 2 000 bit 數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭，經(jīng)簇頭處理之后就將1400 bit 傳給簇頭中繼。數(shù)據(jù)融合消耗的能量為 5 J/bit/message，傳輸?shù)哪芰繛?50 nJ/bit。

3.2 LEACH 協(xié)議與LEACH-EN 仿真結(jié)果對(duì)比

圖2 的結(jié)果是因?yàn)楦倪M(jìn)后的LEACH-EN 才用了多跳于單挑相結(jié)合的通信方式，使得簇頭有節(jié)點(diǎn)較為有效地節(jié)約了能量。另外分簇結(jié)構(gòu)更合理，使得網(wǎng)絡(luò)總的信息處理量要小，故而節(jié)約了能量。

圖2 總能量消耗對(duì)比

圖3 所示改進(jìn)后的協(xié)議在提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間上有所提高。這是因?yàn)楹侠淼姆执啬軌蛴行У鼐饩W(wǎng)絡(luò)能量，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期得以延長(zhǎng)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比