基于最優簇頭數的無線傳感器網絡路由協議探討

羅俊杰

四川大學電子信息學院 四川 成都 610065

1 介紹

由于給傳感器節點的電池充電基本上是不可能的，因此路由協議應該以一種節能的方式設計，其中路由算法起著至關重要的作用。

[1]中提出了LEACH協議，LEACH算法通過隨機產生簇頭的方式對傳感器網絡節點進行分簇，但由于簇頭節點選擇的隨機性，因此可能存在低能量節點也被選舉為簇頭的情況，這加速了節點的死亡。[2]中提出了R-LEACH協議,該協議在選擇簇頭的階段考慮了節點初始能量、節點的剩余能量和最優簇頭數這三個重要因素。本文在R-LEACH的基礎上，改進了最優簇頭數的計算方法，并綜合考慮了節點到基站的距離以及節點的初始能量和剩余能量[1]。

本文的剩余部分結構如下：第二節介紹了系統模型。第三節提出了我們的改進算法。第四節展示仿真實驗結果。最后第五節得出結論以及對未來的展望

2 系統模型

本文和R-LEACH協議一樣，整體采用的都是LEACH協議的結構。LEACH協議中每個節點在第一輪開始之前，隨機產生一個介于0到1的數，如果產生的數小于LEACH協議給定的閾值，則該節點將成為簇頭。的公式如下：

其中 為節點的數量，d為該節點到基站的距離，M為網絡的尺寸大小，為簇頭壓縮融合數據消耗的能量，m在R-LEACH中代表每個簇的簇頭個數，即m=1。

3 改進的算法

本文做了如下假設：網絡由n個節點和1個基站組成，n個節點均勻部署在M×M的網絡中。

本文將提出一種改進的協議，綜合簇形成階段和穩態階段計算出，同時還考慮了節點到基站的距離[2]。

然而，上述表達式是基于整個網絡節點都存活的情況下得出的最優簇頭數，隨著節點開始死亡后，網絡中的節點數也在減少，因此為了適應網絡存活節點數的變化，決定用當前存活節點數代替n。

所以節點i成為簇頭的概率為：

MODR-LEACH協議中簇頭選擇的時候還考慮到了節點距離基站的距離這一因素。所以改進之后閾值為：

4 仿真

本文的仿真實驗在matlab上模擬的。

表1 具體參數設置

圖1展示了M O D R-L E A C H協議的網絡壽命，并與LEACH、RLEACH協議作比較。模擬結果表示，提出的MODR-LEACH協議與R-LEACH協議比較時，在網絡壽命上提升了63%。

圖1 網絡壽命

圖2展示了三種協議的網絡能量消耗?？梢钥闯鯩ODRLEACH協議消耗能量的速度確實比R-LEACH和LEACH更慢，網絡能耗優化的效果更好。

圖2 網絡能量

5 結束語

本文提出的協議改進了R-LEACH的關于簇頭數的計算方法，在簇頭數的計算上不僅考慮了網絡的簇形成階段和數據傳輸階段。隨著網絡節點的死亡，還用當前存活節點數代替網絡的總節點數，更準確的得出對網絡能量有著重要影響的最優簇頭數，同時本文還考慮了R-LEACH沒有考慮的節點距基站的距離這一因素，綜合這幾個因素對閾值進行調整。通過仿真比較分析發現，改進的協議相比R-LEACH協議，在網絡壽命上提升了63%，在剩余能量上提升了60%。所以本文提出的協議在節能方面具有較好的表現。