針對戶外應用的LEACH路由改進分簇區域算法

王改云 焦傲 陸家卓

摘? 要： 針對現今無線傳感器網絡在戶外應用的特點，考慮到現有的LEACH算法節點死亡較快，影響網絡結構和壽命的缺點，該文在LEACH基礎上對JC?LEACH算法進行了改進，提出適用于大范圍環境下的SR?LEACH算法。該算法將監測區域按負荷比例分成區域的形式，再根據距離和能量關系優化選舉每個區域簇頭，每個區域中的簇頭以多跳形式將數據傳輸給基站。通過Matlab仿真結果表明，改進算法在抑制節點首輪死亡數與降低節點的平均剩余能量上有明顯的改進。相比LEACH與JC?LEACH算法，改進算法適用范圍較大，并優化了網絡的壽命與穩定性，拓展了路由算法的應用范圍。

關鍵詞： 分簇區域算法;? LEACH; 無線傳感器網絡; 區域劃分; 分簇優化; 數據傳輸

中圖分類號： TN915?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）22?0098?04

Abstract： In allusion to the characteristics of wireless sensor network in the outdoor application， and the defects that the network structure and lifetime are influenced due to the reason that the existing LEACH （low energy adaptive clustering hierarchy） algorithm nodes die faster， the JC?LEACH algorithm is improved based on LEACH， and SR?LEACH algorithm suitable for a large?scale environment is proposed. In the SR?LEACH algorithm， the monitoring area is divided into regions according to the load proportion， the cluster heads in each region is optimized and selected according to the distance and energy relationship， and the cluster heads in each region can transmit data to the base station in the form of multi?hop. The simulation results with Matlab show that the improved algorithm has obvious improvement in restraining the number of first?round deaths and reducing the average residual energy of nodes. The improved algorithm has a larger scope of application in comparison with the LEACH and JC?LEACH algorithms， optimizes the network lifetime and stability， and expands the application scope of routing algorithms.

Keywords： clustering area algorithm; LEACH; wireless sensor network; region division; clustering optimization; data transmission

0? 引? 言

無線傳感器網絡中路由節點多被要求定位在環境較惡劣的戶外，這要求路由節點必須具有足夠的穩定性來完成定位、數據收集及融合等工作。WSN路由算法可分為平面和層次算法，分層路由算法中LEACH于2002年首次被提出。2016年Vishal等考慮到節點組成的網絡能量不足、內存不足的問題，對由LEACH協議發展出的多種路由協議進行了評估，并擴展到現有其他的路由協議中[1]。同年，Amirthalingam K提出一種改進的LEACH算法[2]，算法根據節點距離和剩余的能量為指標參數控制選擇簇頭的概率函數，加強了無線傳感器網絡的擴展性和生存周期。2018年王改云提出JC?LEACH[3]算法，該算法針對家居環境下的特性，對傳統的LEACH算法進行改進，將傳統算法根據居室的特點進行分區。實驗結果表明，相比較傳統算法，JC?LEACH算法降低了網絡的功耗，提升了家居環境下的適用性。

對于不同應用環境下的無線傳感器網絡，傳統的路由算法無法滿足應用要求。本文在LEACH算法基礎上，根據室外環境的具體應用提出SR?LEACH算法，采用數個區域中的簇頭以多跳形式將數據傳輸給基站，實現降低節點能量消耗，延長節點壽命的作用，以滿足不同環境下的應用。

1? LEACH和JC?LEACH算法

1.1? LEACH算法

LEACH是2002年提出的第一種WSN分層路由算法[4]。由于節點處于同級狀態，會導致距離基站較遠的節點在傳輸過程中耗能較多。而LEACH路由協議對節點進行簇頭選舉，使整個網絡化整為零，平衡了節點的功耗，延長了WSN節點的壽命[5]。

LEACH協議在每一輪開始的時候，先對簇頭節點進行選舉，之后進行穩定通信。選舉過程為：

1） 在每一輪開始的時候，選取[0，1]之間一個隨機數，分配給節點。

2） 在隨機數之間設置閾值函數。

式中：[p=bN]，表示簇頭占所有節點的比例;[N]表示整個網絡中所有節點的數量;[b]表示網絡中簇頭節點的數量;[r]是當前正在運行的輪數;[G]是[1p]輪后尚未轉換為簇頭節點的集合。

3） 對步驟1中選取的隨機數與閾值[Tn]的值進行對比，如果閾值大于選取數的值，則其成為本輪通信的簇頭，并確定簇頭和簇的區域面積。

數據通信的穩定階段：

1） 簇頭為簇頭區域中的節點建立通信調度。在穩定傳輸節點之后，節點開始待機并進入休眠狀態。最終重新進入簇頭選舉的階段。

2） 簇頭節點將接收到普通節點的信息進行融合發送給基站（網關）節點。穩定通信階段大于簇頭選舉階段，保障整個網絡的生存周期與穩定。

1.2? JC?LEACH算法

作為基礎的分層路由算法，LEACH在不同環境下的適用性有限。針對特定的應用場景，可以根據網絡需求對LEACH算法進行優化改進。JC?LEACH[3]路由算法針對家居環境的特點，對傳統的LEACH協議進行改進，并根據居室的特點進行分區，使得其更適用于現實應用環境，其通過對節點通信范圍與能耗均衡的關系對分區內簇頭的選取加以限制，達到降低功耗的目的[6]。圖1為JC?LEACH簇頭數據傳輸示意圖。

1.3? LEACH與JC?LEACH算法在戶外環境應用中的局限性

節點能耗與壽命問題是制約無線傳感器技術發展的要素。由圖1可知，JC?LEACH算法中簇頭以單跳的形式進行數據傳輸，距離基站較遠的簇頭需要消耗簇頭極多的能量傳輸數據，很可能造成距離基站較遠的路由節點過早死亡，影響網絡結構的穩定性，造成數據傳輸錯誤，延時較大。不能滿足多環境實際應用中的大范圍、低能耗、長時效的要求。

2? SR?LEACH算法

現今在戶外環境監測等其他應用場所需要大范圍、低能耗的無線傳感器網絡來達到定位和數據的大量傳輸，而小范圍的JC?LEACH算法無法滿足需求，所以在JC?LEACH基礎上提出一種簇頭優化的LEACH路由分簇區域改進的算法，即SR?LEACH算法，使得其適用于更大范圍的無線傳感器網絡。

2.1? 簇群的建立及首輪簇頭的選舉

針對戶外環境的WSN，有限的區域劃分方式無法滿足實際需要，根據負荷情況與簇頭等級對網絡進行區域劃分，現將WSN網絡劃分為16個區域。其中每個區域代表一個分簇區域。根據基站的位置從遠及近設置簇頭級別，區域1～4的簇頭作為A級，區域5～8的簇頭作為B級，依次類推。

2.2? 其余輪簇頭選舉和簇頭間的通信

首輪簇頭選舉和信息數據的通信后，節點內剩余能量不等，基站通過比較每個區域內節點反饋回的能量信息確定此輪每個成簇區域的簇頭節點，數據通信模式和首輪一樣，一直循環到目標輪為止。

2.3? 結果與分析

2.3.1? 仿真實驗

實驗在Matlab 2016a上進行仿真模擬，針對戶外環境，仿真模擬在室外基站處于整個網絡邊緣的情況，基站位置坐標（250，0），[n=300]個路由節點隨機分布在500 m×500 m的監測范圍內劃分的16個域內。然后對三種算法的數據進行對比分析。圖4是路由節點和基站的分布圖，其中，星號代表基站位置。實驗參數如表1所示。

2.3.2? 結果分析

運用Matlab仿真軟件對LEACH，JC?LEACH和SR?LEACH算法的節點分布和數據傳輸路徑進行仿真，實驗得到各個算法的節點分布圖和每輪簇頭的數據傳輸路徑圖。圖5為三種算法中[p]為0.05時的節點分布和簇頭傳輸數據路徑。

3? 結? 語

在物聯網飛速發展的時代，作為WSN關鍵技術之一的路由算法的改進至關重要?，F有的LEACH算法并不能被廣泛的應用，且容易造成節點快速死亡，影響網絡數據傳輸。本文在LEACH算法的基礎上，根據JC?LEACH算法提出一種適用于更加惡劣環境的SR?LEACH算法。通過Matlab仿真實驗對三種算法結果對比分析，表明改進算法的首個節點死亡輪數得到了優化，節點的平均剩余能量較比較算法有所提升，可以有效地節省節點能耗，增加節點生存時間，優化了整個網絡的壽命與穩定性。

參考文獻

[1] ARORA Vishal Kumar， SHARMA Vishal， SACHDEVA Monika. A survey on LEACH and other′s routing protocols in wireless sensor network [J]. Optik?International journal for light and electron optics， 2016， 127（16）：? 6590?6600.

[2] AMIRTHALINGAM K， ANURATHA. Improved LEACH： A modified LEACH for wireless sensor network [C]// 2016 IEEE International Conference on Advances in Computer Appli?cations. Coimbatore： IEEE， 2016： 51?65.

[3] 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.

[4] 常鐵原，劉偉娜，張炎，等.基于簇頭距離和能量的優化LEACH協議[J].河北大學學報（自然科學版），2019，39（2）：194?200.

[5] SIBAHEE M A A， MASOUD M Z， HUSSIEN Z A. LEACH?T： LEACH clustering protocol based on three layers [C]// International Conference on Network & Information Systems for Computers. Wuhan： IEEE， 2017： 111?120.

[6] EMAD A， ION M. New Energy efficient multi?hop routing techniques for wireless sensor networks： static and dynamic techniques [J]. Sensors， 2018， 18（6）： 1863?1865.

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[8] HUANG Wenwei， LING Yun， ZHOU Weilong. An improved leach routing algorithm for wireless sensor network [J]. International journal of wireless information networks， 2018， 25（3）： 323?331.

[9] 隋春江，李暉.基于遺傳優化的神經網絡分簇路由算法[J].通信技術，2019，52（1）：101?105.

[10] 王浩.無線傳感器網絡LEACH算法的改進[J].數字技術與應用，2019，37（1）：137?139.