無線傳感網路由協議

摘要：LEACH協議是無線傳感器網絡的一種典型層次型拓撲控制算法，許多層次型拓撲控制算法都是基于 LEACH進行研究和改進的。研究了LEACH協議的工作原理，對其優缺點進行了分析，介紹了LEACH協議改進的分類。使用 MATLAB對其節點分布、存活節點數量、簇頭數量及能量消耗進行了仿真實驗及分析說明。

關鍵詞：無線傳感網;路由協議;分簇;LEACH協議

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0062-03

1 引言

無線傳感器網絡（WSN）被認為是對我們的日常生活產生巨大影響的基礎技術之一。無線傳感器網絡在許多工業、商業和家庭應用中發揮著重要作用，這些應用涉及資產跟蹤系統、控制和監控建筑物的設備（照明、通風、安全系統、消防系統）、地球運動檢測、森林野生動物監測、安全系統、棲息地監測、環境監測、車輛跟蹤、醫療應用、水、電、熱和煤氣的自動抄表等[1-2]。

典型的WSN由許多傳感器節點組成，這些傳感器節點通常是小而便宜的設備。技術進步使得WSN的部署成為可能。WSN是一組通信節點，每個節點由四個實體組成：用于通過無線介質交換消息的無線電模塊、一個或多個具有特定任務的傳感器（例如動作檢測或觸點激活）、負責所需處理的微控制器以及提供整體能量的能源。節點可以配備一個或多個不同種類的傳感器、嵌入式處理器、存儲器、無線電發射機，并且通常用電池操作。WSN的節點通過建立多跳無線網絡相互通信。每個網絡節點負責檢測期望的參數，一些網絡節點還可以執行一些數據預處理或數據聚合。但由于電池供電的節點具有有限的能量儲備，節點能量通常被認為是非常關鍵的資源，必須非常節約地使用。此外，因為節點可能部署在敵對或不切實際的環境中，更換或重新充電電池可能是不可能或不方便的。因此用于WSN的應用和協議應該考慮優化能量消耗以延長網絡壽命。而網絡層的數據的接收和傳輸是節點主要的能量消耗因素，因此路由協議在WSN網絡優化中起著非常重要的作用。高能效路由協議可以減少傳輸的數據包數量，并優化數據中繼的路徑和節點選擇[3]。

WSN主要有三種通信方案：直接通信、平面通信和分層通信。在直接通信中，每個服務節點直接與基站通信。使用平面通信方案的路由協議平等地對待所有節點，并且它們都參與路由。主要缺陷是靠近基站的節點比距離基站較遠的節點更經常參與數據轉發。為了提供有效的能量消耗，WSN使用簇，即分層通信方案。網絡被劃分為多個簇，在每個簇中選擇一個節點作為簇頭作為控制中心。一個簇內的節點與簇頭通信，簇頭直接與基站通信。第一個也是最常見的分層路由協議之一是LEACH（低能量自適應分簇層次結構）。

2 LEACH協議工作原理及特點

2.1 簇頭選舉及簇的形成

LEACH是最早為無線傳感器網絡提出的分層路由算法之一。根據以下規則，路由是兩跳的。每個節點可以充當簇頭或常規傳感器節點。與sink節點的通信通過簇頭節點（CH，Cluster Header）進行。每個時間間隔（輪次），節點以一定概率聲明自己是CH。節點選擇離他最近的信道。節點自己決定是否成為CH。節點產生一個隨機數，且在0到1之間，此隨機數若小于閾值T（n），則該節點成為CH。閾值定義如下：

[T（n）=p1-p*（rmod（1/p））otherwise0n∈G] ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，p是簇頭占總節點數的百分比，G是最近1/p輪次中未成為簇頭的節點集合，r是當前輪次數。傳感器節點自己組織形成多個簇，每一輪重組都會重新生成發簇。只有簇頭，即信道控制器可以與基站通信，節點使用信道控制器作為傳遞數據的路由。簇頭收集、融合、壓縮和傳輸接收到的數據，以此提高信道利用率及降低節點的能耗。

為了讓其他的非簇頭節點加入簇，因此節點成為簇頭以后，需要將自己成為簇頭以及位置坐標等信息廣播給周圍節點。其他非簇頭節點接收到多個簇頭的廣播消息后，計算與簇頭的距離，向距離最近的簇頭發送請求加入的消息。簇頭接收到請求消息后，采用TDMA復用方式，為各個簇成員分配時分復用的時隙，并將此時間表廣播給所有簇成員。此時進入穩態傳輸數據階段。在穩態階段，節點在分配的時隙期間向接收器傳輸數據，否則它們保持休眠。

2.2 穩定的數據傳輸

簇形成后，節點采用TDMA的復用方式向簇頭發送自己收集的數據。為了避免沖突，每個非簇頭節點都在固定的時隙內發送數據。如果當前沒有數據傳輸，則非簇頭節點處于休眠模式，不接收和發送數據，減少能量消耗。但簇頭需要隨時接收節點的信息，所以簇頭節點不能休眠，必須始終維持在活躍狀態。當簇頭節點收到簇內所有節點傳輸的數據后，要把數據發送給sink節點。由于接收和發送過程是能耗的主要來源，因此簇頭需要去掉冗余數據，減少數據信息來降低能耗。當前輪次結束以后，為了均衡網絡能耗，網絡需要重啟，開始新一輪的循環：重新選擇簇頭、節點加入簇以及數據穩定傳輸。

2.3 LEACH協議分析及改進策略

1）優點分析

LEACH采用網絡中通用的分層的思想，將節點劃分為多個不同大小的簇，每個簇由簇頭統一管理，負責管理簇內節點以及收集節點發送的信息，并進行數據融合，減少能耗。

LEACH采用隨機的方式選舉簇頭，且會周期性的重新選擇簇頭。采樣這種策略可以使每個節點都有平等的機會當選簇頭，且定期輪換，不會因某一個節點長時間擔任簇頭而耗費過多能量而死亡。因此這種將數據傳輸的任務平均分配的思想可以延長網絡的生存時間。

2）缺點及改進

LEACH協議雖然簡單，但其假設所有節點具有相同的能力和相同的剩余能量水平，這一點是不符合實際的。實際網絡由于每個節點在網絡中的位置不同，傳輸數據不同，因此能量損耗不同，能量消耗大的節點容易導致電池快速耗盡。LEACH協議可以從以下幾個方面進行，以增加無線傳感網的生存時間：（1）簇頭選擇;（2）多跳數據傳輸;（3）異構。支持節點間的異構性;（4）基于鏈。專注于節點間鏈的構建;（5）其他：移動性、安全性、備件管理、特定應用、群集半徑固定。

目前LEACH協議主要的改進如下：（1）兩跳路由。一些簇頭可能離基站很遠，因此傳輸可能會消耗大量能量。而簇頭的數量是預定義的，固定的，選定的數量取決于節點分布。實際形成的簇頭數量可能不夠，并且簇的形成可能不是最佳的。所以可以動態調整簇頭的數量以適應網絡的變化。同時可以添加多跳傳輸，將原來的LEACH改為多跳協議。多跳版本的設計通?；趦蓚€假設之一：降低功耗，減少流量或混合。（2）公式（1）中定義的閾值T（n）在選擇簇頭時沒有考慮節點的剩余能量水平，都按相同的閾值選擇，這是不合適的。在網絡新建時，每個節點能量都相同，可以采用相同的閾值選取簇頭。在每一輪的數據傳輸中，所有節點都參與網絡的數據傳輸，每個節點消耗的能量不同，有些節點可能已經死亡，有的節點可能能量很低，不能參與簇頭選擇。因此在整個網絡生存初期和后期，網絡中節點的能量情況可能差異很大，因此可以采用根據節點剩余能量的多少來進行簇頭選擇，而不是按固定的閾值采用隨機選擇方式[5-6]。

3 仿真及結果分析

假設所有節點都是相同的、靜態的，并且具有相同的初始能量，且能量有限。節點是靜止的，在各個方向上發送和接收信號的能量消耗相同。節點保持在傳輸范圍內，都具有數據采集和轉發功能。所有實現LEACH協議的節點都被配置為選擇10%的節點作為簇頭。

LEACH協議用MATLAB軟件進行仿真分析，在100*100的區域內部署100個傳感器節點，基站節點在方形區域的四個頂點（0，0）、（0，100）、（100，0）、（100，100）。假設簇頭節點占全部節點的百分比p=0.1，節點初始能量E0=1J，收發電路損耗50E-9J，數據融合損耗1.3E-16J，控制信息大小25B，數據信息大小4000B。

當最大循環輪數RMAX分別取500、800、1000時，仿真結果如圖1-圖4所示。圖1中，綠色*表示普通節點，紅色+表示死亡節點，黑色五角星表示簇頭。

（a）RMAX=500

（b）RMAX=800

（c）RMAX=1000

由圖1可知，當RMAX=500時，死亡節點占極少數，隨著RMAX逐漸增大，死亡節點數不斷增多，當RMAX=1000時，絕大多數節點為死亡節點，網絡已經不能正常工作。由圖2-圖3可知，當RMAX逐漸增大，存活節點數和當選為簇頭的節點數呈較為快速的降趨勢，與簇頭占比為恒定值有關。由圖4可知，當沒有死亡節點或死亡節點較少時，網絡剩余能量和RMAX的取值呈線性下降關系，當死亡節點逐漸增加，網絡剩余能量的下降速度變緩，這是由于存活節點數量減少，則相應的能耗也減少的更慢。

4 總結

在討論無線傳感器網絡分簇路由算法時，簇頭選擇和能量消耗是最重要的因素。本文詳細討論了LEACH協議的工作原理，并介紹了LEACH協議改進的分類。并對LEACH協議進行了仿真，從節點分布、存活節點數量、簇頭數量、網絡剩余能量進行了分析。未來的工作將研究如何克服LEACH協議的缺點，提高無線傳感網的生存時間及傳輸效率。

參考文獻：

[1] Kazi Chandrima Rahman. A Survey On Sensor Network[J].JCIT，2010：76-87.

[2] Akkaya K，Younis M.A survey on routing protocols for wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2005，3（3）：325-349.

[3] 隋春江.無線傳感器網絡路由分簇算法的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2019.

[4] 劉明，龔海剛，毛鶯池，等.高效節能的傳感器網絡數據收集和聚合協議[J].軟件學報，2005，16（12）：2106-2116.

[5] 李亞男，徐夫田，陳金鑫.基于LEACH的WSNs分簇優化策略[J].傳感技術學報，2014，27（5）：670-674.

[6] 李蘭英，劉昌東.一種無線傳感器網絡路由協議LEACH的改進算法[J].哈爾濱理工大學學報，2015，20（2）：75-79.

【通聯編輯：代影】

收稿日期：2021-03-20

作者簡介：唐泉（1981—），女，四川南充人，講師，碩士，主要研究方向為無線傳感網、智能網絡。