基于LEACH算法的無人機組網仿真驗證

李安然　趙曉東　李嘉俊　武曉勇

摘? 要：隨著多無人機協同工作的興起和發展，無人機網型協同合作的研究已成為當前熱門話題。無人機組也存在如傳輸寬帶有限，安全性能低，信道捕獲力低等問題，除此外也存在自身的特性和優勢：功能多樣性，節點高速移動性，網絡“自管理”性。現有技術運用GPS系統，為節點實時提供定位和時間等信息，使無人機自組網路由理論到實現變得更為簡單。文章對LEACH算法進行了介紹和說明，并進行了仿真和分析，并將其與SEP算法比較，有效驗證了其長續航能力的特性及協議的有效性、實用性和建模分析的正確性。

關鍵詞：無人機;組網技術;LEACH;低能耗

中圖分類號：TN929.5;TP212.9 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0068-03

Abstract：With the rise and development of multi UAV cooperative work，the research of UAV network cooperation has become a hot topic. There are also some problems in the UAV，such as limited transmission bandwidth，low security performance and low channel capture power. In addition to its own characteristics and advantages，such as the diversity of functions，the high-speed mobility of nodes，and the “self-management” of the network. The existing technology uses GPS system to provide real-time positioning and time information for nodes，which makes the theory and implementation of UAV ad hoc network routing easier. In this paper，LEACH algorithm is introduced，simulated and analyzed，and compared with SEP algorithm，which effectively verifies the characteristics of its long endurance capability，the validity，practicability of the protocol and the correctness of modeling analysis.

Keywords：UAV;networking technology;LEACH;low energy consumption

0? 引? 言

在自組網絡中，通過無線通信技術，每架無人機的位置、速度、剩余能量等數據信息可以被實時共享，實現數據資源的高效利用。與單無人機相比，多無人機的合作將面臨通信條件、高能耗低壽命等問題。文獻[1]針對數據傳輸時的傳輸沖撞問題，提出了環形通信算法。文獻[2]提出了無人機網絡的抽象信道和構成模型，并仿真和分析了無人機網絡結構的性能。文獻[3]對無人機飛行運動方程進行了建模與仿真研究，建立了六自由度非線性飛行運動學和動力學模型。在文獻[4]中，研究者基于OPNET網絡仿真平臺，對VANET的位置路由協議進行研究，提出一種改進的EGPSR協議。在文獻[5]中，研究者對基于節點剩余能量和位置的分簇算法進行了仿真和研究。在文獻[6-8]、[11-15]中，基于LEACH算法，作者提出并仿真測驗了其衍生算法，有效降低了能耗，延長了生存時間。文獻[9]中，研究人員重點討論了無線傳感器網絡中的根基理論及其關鍵技術和仿真情況。文獻[10]中，作者運用Matlab仿真，證明了LEACH算法的節能性。本文針對基于節點剩余能量和位置的分簇算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）低功耗自適應分簇算法進行驗證和仿真，并與SEP算法進行比較，進一步驗證了其能量高效利用的特性，以實現攜帶有限的電源，擁有更長生存時間。

1? 系統模型

無人機組網系統模型圖如圖1所示，無人機系統可分為無人機組網部分及地面基站，網絡共享每架無人機的數據信息，并可進行分工和配合，實現功能的多樣化和最大化。當臨時簇頭節點將自己的剩余能量、位置等簇內信息傳遞給基站節點之后，基站節點則擁有該網絡中的全部信息。

1.1? 無人機飛行的任務維度和工作效率

一般情況下，單無人機飛行只執行單任務，執行下一任務需返回更換模塊或直接更換無人機。無人機組網完成后，可以同時起飛多架具備不同功能的無人機，形成一個多任務的有機整體，從而大大節省飛行往返的時間，提高工作效率。

1.2? 無人機的可控性和實時應變能力

傳統的無人機飛行都要依據人工提前設定好的路線，特別是對于中遠程無人機而言，由于現有通信技術的原因，一旦超過一般的極限距離，無人機就會立刻和基站失去聯系，進入一個不可以精確良好控制的環境，也就是飛行盲區。之前由于學科的相互分離以及技術的不先進，這類問題得不到良好的解決，即便是利用人造衛星等輔助通信手段也只能在一定程度上改善這一現狀，而如圖1所示，無人機組網通信之后，核心控制中心通過鏈接各個無人機之間的節點，搭建空間立體組網，對目標節點進行間接的有效控制，這樣的方法可以在非常高的程度上以高效率減小盲區的存在空間，無人機群體可以快速有效地應對各種突發狀況，進一步提高了我們對無人機的控制能力和無人機的飛行能力。

2? 組網算法說明及仿真驗證

2.1? LEACH算法說明

LEACH又名低功耗自適應分簇算法。LEACH算法的主要思想是通過將無線傳感器網絡中的節點分為多個簇，在將簇劃分好之后，尋找一個節點作為相應簇的簇頭。隨后，系統將在簇頭中隨機并循環地選擇簇頭節點，并將整個網絡的能量負載平均分配給各個傳感器節點，從而使整個網絡能源的消耗減小，使網絡的生存時間增加。

由準備階段及傳輸數據的穩定階段兩個部分可組成LEACH協議的工作過程。簇的建立過程可以在準備階段完成，而數據的傳輸過程可以在穩定階段完成。

節點在準備階段的選取有一些設定好的基本法則，在選取節點的時候，要掃描檢查目前的節點總數，知曉成為過節點的簇頭的數目及其應用情況，查知下一步應用所需的節點數目。具體應用方法如下：采用計算機常用的0和1作為標識，以傳感器節點為發起源，以隨機選取的方式在之前掃描到的符合要求的節點中選取一個節點作為簇內節點的簇首節點，該節點的作用是引導組成網的信息傳遞以及能量的傳輸。簇首節點一經選定，就要以傳播擴散的方式向其他的非簇首節點放出信號，宣布自己的簇首位置。

在簇的穩定階段，簇首節點用于收集簇內非簇首節點的有關信息，并在合并信息完成后遞發給地面基站。在保持該階段一段時間后，其網絡將再次進入準備階段。

LEACH算法的優點主要是節點能量分布均勻，節點消耗能量更低，簇頭的選取充分的考慮了節點的剩余能量，避免因傳輸距離增加而造成能耗高，延長整個網絡存活時間。而在無人機組網中，多個無人機共同執行任務時，無人機群處于一種無中心、分布式、自組織的狀態。而在此過程中，可利用LEACH算法，將多個無人機看作一個網絡，而將無人機看作節點，從多個無人機節點中，按照LEACH協議選取簇頭的方法選出一個無人機簇頭，從而使整個無人機組網節點能量分布均勻，節點消耗能量更低，使整個無人機組網可執行任務的時間更長。

判斷簇點的流程圖如圖2所示，在初始化網絡的前提下，對簇點進行判斷，分類及計數。其中，r是簇點個數，E是剩余能量。

2.2? 仿真及分析

首先建立一個120*120的圖表，在這個區域里面設置120個節點，高級節點的比例為0.1，在初始的狀態下，高級節點是隨機分布的，每次的一個循環都會產出一批新的高級節點，然后普通節點將自身的數據和信息交給高級節點，再由高級節點在數據與接收器之間進行數據的傳遞。

低能耗剩余節點的能量圖如圖3所示，在低能耗條件下，LEACH算法和SEP算法下的剩余節點的能量一直隨著時間周期的進行而減少，直至大約第280周期下降為0。

LEACH初始能量的節點位置圖如圖4所示，☆號表示LEACH算法初始的時候隨機選取的高級節點，其擁有較好的能量，而o表示的是普通的能量節點。

LEACH剩余節點存活的數量圖如圖5所示，隨著時間周期的推移，剩余節點存活的數量在周期200至300期間迅速減少了將近115個存活節點，之后緩慢減至0。

SEP初始能量的節點位置圖如圖6所示，☆號表示SEP協議初始的時候隨機選取的高級節點，o表示的是普通的能量節點。

SEP剩余節點存活的數量圖如圖7所示。

隨著時間周期的推移，剩余節點存活的數量在周期200至300期間迅速減少了將近115個存活節點，之后緩慢減至0。與圖5對比，SEP協議中的第一死亡節點出現的時間比較早，而LEACH算法可以很好地延緩第一死亡節點的出現。

3? 結? 論

針對多無人機的合作所面臨的高能耗低壽命問題，本文對LEACH算法及SEP算法仿真驗證的對比結果，可以看出，LEACH算法通過避免因傳輸距離增加而增加能耗，來延緩第一死亡節點的出現，從而延長了整個網絡的生命周期，所以通過LEACH算法能夠延長無人機網絡的生命周期，使得無人機組可攜帶少量電源，就能提供較長且穩定的通信續航時間，讓其生存時間大幅度提高。

參考文獻：

[1] 徐俊.多無人機的組群飛行特性與控制分析 [D].南京：南京理工大學，2017.

[2] 陳明輝.無人機組網及網絡信息共享的研究 [D].南京：南京航空航天大學，2005.

[3] 榮輝，李冬，殷堂春.基于Matlab無人機數學模型仿真分析與研究 [J].科學技術與工程，2008（6）：1510-1512+1535.

[4] 德力克.車載自組網位置路由協議研究 [D].大連：大連海事大學，2009.

[5] 黃鶯.虛擬仿真技術在技工院校計算機實訓教學應用研究

——以“計算機網絡”課程為例 [J].現代信息科技，2019，3（12）：78-80.

[6] 孫寶霞，熊俊濤.基于能量簇頭選舉算法中選舉系數的研究 [J].中國科技信息，2008（22）：65-66.

[7] 王沁飛，南建國，黃金科，等.基于加權的無人機集群組網分簇算法 [J].計算機應用研究，2019，36（5）：1500-1503+1514.

[8] 苗慶松，黃曉霞.基于LEACH路由算法的研究與改進 [J].電腦知識與技術，2010，6（16）：4535-4537.

[9] 彭力.無線傳感器網絡原理與應用 [M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.

[10] 潘華，陳佳品，丁凱，等.一種基于多跳與按數據量-距離分發的LEACH協議優化 [J].電光與控制，2018，25（11）：89-92.

[11] 王改云，胡方舟.針對智能家居應用中的LEACH協議改進 [J].現代電子技術，2018，41（17）：11-14.

[12] 劉亮，陳秋蓮.基于LEACH的節能高效路由算法的研究 [J].微計算機信息，2012，28（9）：442-444.

[13] 覃海生，吳文俊，何傳波，等.基于LEACH協議節能路由算法的研究與優化 [J].計算機應用與軟件，2015，32（7）：105-107+172.

[14] 孫文勝，朱為佳，苗紅亮.基于最低能耗的改進LEACH分簇算法 [J].軟件導刊，2017，16（4）：44-48.

[15] 酈元宏，王澤民.基于蟻群算法的LEACH協議在WSN中的研究 [J].聲學與電子工程，2017（3）：37-39.

作者簡介：李安然（2000-），女，漢族，云南昆明人，本科在讀，研究方向：電子信息工程;趙曉東（2000-），男，漢族，寧夏石嘴山人，本科在讀，研究方向：通信工程;李嘉俊（2000-），男，漢族，黑龍江鶴崗人，本科在讀，研究方向：通信工程;武曉勇（2000-），男，漢族，河南濮陽人，本科在讀，研究方向：通信工程。