基于分簇和覆蓋優(yōu)化的改進(jìn)LEACH協(xié)議

陳 樹(shù),徐 圓

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫214122)

基于分簇和覆蓋優(yōu)化的改進(jìn)LEACH協(xié)議

陳 樹(shù),徐 圓

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫214122)

針對(duì)傳統(tǒng)LEACH協(xié)議中簇頭數(shù)量自由度高以及分布不均所導(dǎo)致能量消耗過(guò)多的缺陷,提出一種基于優(yōu)化分簇的、能耗均勻的改進(jìn)LEACH協(xié)議。改進(jìn)簇頭選擇機(jī)制,在常規(guī)能量閾值選取簇頭節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中,引入最優(yōu)簇半徑控制策略,改善簇頭節(jié)點(diǎn)的物理分布位置,達(dá)到網(wǎng)絡(luò)能量的均衡,同時(shí)引入網(wǎng)絡(luò)覆蓋率控制簇頭數(shù)目,避免產(chǎn)生多余的簇頭節(jié)點(diǎn)。該算法還在傳統(tǒng)LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上,使用CH-VCH交替輪尋策略簡(jiǎn)化計(jì)算量。仿真結(jié)果表明,該改進(jìn)LEACH協(xié)議能解決傳統(tǒng)LEACH協(xié)議存在的能量問(wèn)題,使網(wǎng)絡(luò)的能量消耗更加均勻,并在一定程度上延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期限。

LEACH協(xié)議;能量消耗;最優(yōu)簇半徑;簇頭

1 概述

LEACH協(xié)議是一個(gè)適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議架構(gòu)。它應(yīng)用于典型傳感網(wǎng)絡(luò)[1]中的路由選擇[2]。

傳統(tǒng)LEACH協(xié)議使用輪次作為參數(shù)的閾值T(n),作為判斷簇頭選擇的依據(jù),各個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)成為簇頭[3]。如果不考慮能量消耗,選取了剩余能量較少的節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn),就很容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡、能量消耗不均勻的情況[4]。LEACH協(xié)議的能量均勻消耗是人們研究的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[5]提出的LEACH改進(jìn)以及文獻(xiàn)[6]提出的LEACH-N協(xié)議將節(jié)點(diǎn)的剩余能量和初始能量作為參數(shù)加入閾值的計(jì)算,使得節(jié)點(diǎn)的剩余能量越少時(shí),節(jié)點(diǎn)能夠被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率越小,優(yōu)化簇頭選擇。文獻(xiàn)[7]提出E-LEACH協(xié)議,在閾值中加入能量參數(shù)后,引入最小生成樹(shù)的概念,選擇剩余能量最多的簇頭節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn),首輪閾值選擇加入能量參數(shù)后,從第2輪開(kāi)始,通過(guò)考慮最佳的成簇大小計(jì)算每輪閾值,控制簇頭數(shù)量,為確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡消耗。文獻(xiàn)[8]依舊從閾值的角度加入能量參數(shù)對(duì)LEACH協(xié)議的閾值進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)還考慮節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)的次數(shù),改變節(jié)點(diǎn)被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率,并均衡節(jié)點(diǎn)消耗的能量。該算法通過(guò)使用CH(簇頭節(jié)點(diǎn))-VCH(副簇頭節(jié)點(diǎn))交替的循環(huán)策略,簡(jiǎn)化計(jì)算量,同時(shí)節(jié)省了多余能量的消耗。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),在改進(jìn)的LEACH協(xié)議中,把節(jié)點(diǎn)的剩余能量、簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)等作為參數(shù)加入閾值,通過(guò)參數(shù)影響閾值控制選取節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,能夠更加有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。但上述研究都沒(méi)有考慮簇頭節(jié)點(diǎn)分布的問(wèn)題,簇頭節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)分布會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不平衡,加快節(jié)點(diǎn)死亡[9]。本文以均衡衡量消耗為目的,針對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)分布問(wèn)題對(duì)簇頭選擇進(jìn)行改進(jìn)。

2 LEACH協(xié)議的改進(jìn)

本文在簇頭選擇時(shí),使用文獻(xiàn)[8]中提出的閾值T(n):

其中,p是簇頭節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)的百分比;r是輪數(shù);G是1/p輪中沒(méi)有做過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù);En_current是該節(jié)點(diǎn)的剩余能量;En_init是該節(jié)點(diǎn)的初始能量。初始定義節(jié)點(diǎn)的總能量為2 J;CH_times表示該節(jié)點(diǎn)當(dāng)選過(guò)簇頭CH的次數(shù);VCH_times表示該節(jié)點(diǎn)當(dāng)選過(guò)簇頭VCH的次數(shù),閾值T(n)是針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同剩余能量分別計(jì)算的,參數(shù)CH_times,VCH_times加入閾值計(jì)算中,已當(dāng)選過(guò)簇頭CH或者副簇頭VCH的節(jié)點(diǎn),之后成為簇頭的概率就相對(duì)減少。

在LEACH協(xié)議中,隨機(jī)分布的簇頭節(jié)點(diǎn)位置很大概率上可能造成某塊通信區(qū)域內(nèi),當(dāng)簇頭位置相對(duì)集中時(shí),簇頭的覆蓋區(qū)域出現(xiàn)大量重疊,能量重復(fù)消耗,或者在某一塊區(qū)域內(nèi),簇頭節(jié)點(diǎn)太過(guò)分散分布,簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量很少。普通節(jié)點(diǎn)加入很遠(yuǎn)距離的簇頭,使得節(jié)點(diǎn)的載荷也變大,節(jié)點(diǎn)很快出現(xiàn)死亡,加速了網(wǎng)絡(luò)的死亡[10]。

(2)目前關(guān)于再生細(xì)骨料種類(lèi)、取代率對(duì)再生砂漿抗壓強(qiáng)度和和易性的研究較多。而對(duì)于力學(xué)性能中的抗折強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)，耐久性中的抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化性能等指標(biāo)，再生砂漿的強(qiáng)度形成機(jī)理、水泥漿與再生細(xì)骨料的界面分析等的研究還比較缺乏，有待于不斷補(bǔ)充和完善。

本文針對(duì)LEACH協(xié)議在簇頭建立階段選擇簇頭時(shí)簇頭分布的隨機(jī)性,以及簇頭個(gè)數(shù)沒(méi)有一個(gè)合理的限制進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 簇頭選擇

在初選簇頭的時(shí)候,加入簇頭選擇規(guī)則:首輪選出一個(gè)隨機(jī)值小于閾值的簇頭節(jié)點(diǎn),第一個(gè)簇頭選出后,逐一對(duì)接下來(lái)產(chǎn)生的簇頭進(jìn)行篩選,計(jì)算已選簇頭的通信半徑,如果新產(chǎn)生的備選簇頭在已選簇頭的通信范圍之內(nèi),對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記,之后的簇頭將從未被標(biāo)記過(guò)的節(jié)點(diǎn)中選取,被標(biāo)記過(guò)的節(jié)點(diǎn)放棄競(jìng)爭(zhēng)簇頭,未被標(biāo)記過(guò)且滿(mǎn)足閾值條件的節(jié)點(diǎn)才有可能作為簇頭。如圖1所示。由此選擇機(jī)制產(chǎn)生的簇頭之間的距離必然大于等于一個(gè)簇頭的成簇半徑R。

圖1 改進(jìn)的成簇算法

其中,A為傳感器分布區(qū)域的面積;N為區(qū)域中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量;EDA為感知每比特?cái)?shù)據(jù)所需要的能量;εfs為功率放大所需的能量。由此,最優(yōu)簇半徑R能夠確保在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部用于感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯南鄬?duì)合理。

該簇頭選擇策略在簇頭產(chǎn)生的過(guò)程中控制簇頭之間距離,防止簇頭間距過(guò)小,減少生成過(guò)多冗余簇頭所造成的能量浪費(fèi)。

當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)基本上都在簇頭的最優(yōu)簇半徑內(nèi)時(shí),已能夠保證網(wǎng)絡(luò)的基本通信要求得到滿(mǎn)足,此時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸最節(jié)省能量,再產(chǎn)生新的簇頭僅會(huì)消耗過(guò)多的能量,并不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信做出有效的貢獻(xiàn)。因此,當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)的90%被簇頭節(jié)點(diǎn)的成簇半徑覆蓋時(shí),就需要控制簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,停止產(chǎn)生冗余的簇頭,以此來(lái)再一次避免能量的浪費(fèi)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸時(shí),定義單次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接受節(jié)點(diǎn)之間的距離為d。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包消耗的能量為[12]:

單個(gè)節(jié)點(diǎn)接收一個(gè)數(shù)據(jù)包消耗的能量為:

其中,l為傳輸數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度;Eelec表示無(wú)線收發(fā)電路所消耗的能量;εfs和εamp分別為自由空間模型和多路徑衰減模型2種情況下信號(hào)放大器能量消耗的比例系數(shù);εfsd2和εmpd4定義為每放大1 bit數(shù)據(jù)放大器需要消耗的能量;d0為常數(shù),取決于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境。

d0臨界值由下式?jīng)Q定:

3 算法描述

基于分簇和覆蓋優(yōu)化的策略對(duì)LEACH協(xié)議改進(jìn)的詳細(xì)算法描述如下:

(1)CH簇頭選擇。計(jì)算簇頭節(jié)點(diǎn)的能量閾值,以及最優(yōu)簇半徑等參數(shù),運(yùn)用本文改進(jìn)的簇頭選擇規(guī)則選舉簇頭,并根據(jù)簇頭覆蓋率控制簇頭數(shù)量。如圖2所示。

圖2 簇頭選舉

(2)建立簇的通信。簇頭節(jié)點(diǎn)廣播自己的ID、位置等信息。普通節(jié)點(diǎn)選擇最近的簇頭節(jié)點(diǎn)加入簇。完成簇的建立,與簇頭之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,一輪傳感信息傳輸之后,記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量E,并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的剩余能量進(jìn)行計(jì)算并記錄。

(3)VCH副簇頭節(jié)點(diǎn)選擇。在下一輪的VCH簇頭選擇過(guò)程中,以簇為單位,標(biāo)記一個(gè)簇內(nèi)剩余能量最多的節(jié)點(diǎn),作為下一輪的VCH簇頭。

(4)數(shù)據(jù)傳輸階段。該VCH簇頭節(jié)點(diǎn)廣播簇頭節(jié)點(diǎn)信息,普通節(jié)點(diǎn)遍歷所有的簇頭,選擇最近的簇加入,網(wǎng)絡(luò)重新形成分簇。并依照相同的能量損耗模型在簇內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)的能量損耗。

(5)新的一輪循環(huán)開(kāi)始。按照相同的選擇機(jī)制,重新選擇CH主簇頭節(jié)點(diǎn),如果本輪沒(méi)有選擇出簇頭節(jié)點(diǎn),考慮到所有節(jié)點(diǎn)與BS基站通信,會(huì)浪費(fèi)很多能量,則本輪不進(jìn)行通信,直接進(jìn)入下一輪選擇CH簇頭節(jié)點(diǎn)。

程序流程如下:

4 仿真與結(jié)果對(duì)比

仿真實(shí)驗(yàn)采用Matlab作為仿真平臺(tái)。對(duì)傳統(tǒng)LEACH協(xié)議[12]、參考文獻(xiàn)中Liang Ying改進(jìn)的協(xié)議LEACH1、Fuzhe Zhao的改進(jìn)LEACH2,以及本文對(duì)LEACH協(xié)議的能量均衡改進(jìn)進(jìn)行仿真和性能對(duì)比。并且為了減少偶然性,對(duì)每種情況在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)分布下獨(dú)立運(yùn)行100次,統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值。在這里提供的相同的100 m×100 m的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布局,其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真實(shí)驗(yàn)中,還設(shè)置了一些其他參數(shù):

分析網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)有許多[13],本文在這里以輪數(shù)為單位選用具有代表性的剩余節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)剩余能量,以及簇頭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)這3個(gè)性能參數(shù)對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。

圖3表示該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的分布。節(jié)點(diǎn)均勻的分布在100 m×100 m的網(wǎng)絡(luò)仿真區(qū)域中,對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)都定義同樣的初始能量0.5 J。本文排除了節(jié)點(diǎn)具有相同坐標(biāo)的可能,使節(jié)點(diǎn)相對(duì)地均勻分布,通過(guò)圖表觀察,這些節(jié)點(diǎn)分布很均勻,沒(méi)有區(qū)域太擁擠或者空白,這和期望是一致的。

圖3 節(jié)點(diǎn)分布

圖4為簇頭節(jié)點(diǎn)基于最優(yōu)簇頭半徑R覆蓋網(wǎng)絡(luò)后,以輪為單位,記錄每輪被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

從圖4中可以看出,在仿真開(kāi)始階段,前幾種改進(jìn)中的簇頭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都明顯過(guò)多,LEACH1協(xié)議中簇頭數(shù)量最多時(shí)超過(guò)了13個(gè)簇頭,這其中有很多多余簇頭,資源的重復(fù)利用浪費(fèi)了大量能量。本文改進(jìn)的簇頭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在整個(gè)仿真中能夠相對(duì)均勻的分布,通過(guò)最優(yōu)選擇策略,合理地選擇不超過(guò)9個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭,簇頭數(shù)量最多時(shí)平均不超過(guò)8個(gè)簇頭。

圖5表示網(wǎng)絡(luò)中還未死亡的節(jié)點(diǎn)數(shù)量,不考慮其他外在的因素,如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量小于或等于0,就認(rèn)為這個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)死亡。

圖5 剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)基本上都已經(jīng)死亡,無(wú)法進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸,視為網(wǎng)絡(luò)已死亡。網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點(diǎn)的數(shù)量就是反應(yīng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量是否均勻消耗的標(biāo)志。

通過(guò)對(duì)比可以明顯看出,在100次實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均后,本文改進(jìn)的LEACH協(xié)議存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量在相同輪數(shù)均能高于其他改進(jìn)協(xié)議,LEACH協(xié)議在接近400輪的時(shí)候,出現(xiàn)第一次節(jié)點(diǎn)死亡,而本文改進(jìn)的選擇策略最遲出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡,在運(yùn)行到500輪以后才會(huì)第一次出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡,大大減緩了節(jié)點(diǎn)死亡的速度。

仿真結(jié)果表明:在相同時(shí)間下,本文相對(duì)于其他的改進(jìn)能保持更多的活躍節(jié)點(diǎn),以傳輸更多的數(shù)據(jù)信息給基站。本文的LEACH協(xié)議改進(jìn)在仿真過(guò)程中是均優(yōu)于其他2種改進(jìn)的。

圖6在仿真初始階段,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量都是相同的,為0.5 J,網(wǎng)絡(luò)初始能量為節(jié)點(diǎn)能量的總和,即50 J,仿真中網(wǎng)絡(luò)能量均從50 J開(kāi)始,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南?能量趨于0。可見(jiàn),本文改進(jìn)后的剩余能量曲線的斜率最小,反映出節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡性最好。本文改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的成簇規(guī)則,使得節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸中,對(duì)能量進(jìn)行了合理的分配,避免消耗多余的能量,從而網(wǎng)絡(luò)死亡的速率小于其他改進(jìn),網(wǎng)絡(luò)的壽命得以延長(zhǎng)。

圖6 網(wǎng)絡(luò)剩余能量

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)LEACH協(xié)議能量過(guò)多損耗的問(wèn)題,對(duì)其簇頭選舉策略進(jìn)行優(yōu)化,以均衡節(jié)點(diǎn)能量的損耗。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文算法在簇頭數(shù)量?jī)?yōu)化和分布均勻2個(gè)方面都有改進(jìn),很大程度上改善了網(wǎng)絡(luò)能量消耗,有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

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編輯 任吉慧

Improved LEACH Protocol Based on Clustering and Coverage Optimization

CHEN Shu,XU Yuan
(School of Internet of Things Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

As high free degree of amount and uneven distribution of the cluster-head nodes cause high energy consumption,this paper presents a novel improved LEACH protocol algorithm based on cluster optimization and energy balance.In the process of selecting cluster-heads according to the conventional energy threshold,the improved selection mechanism selects cluster-head with the optimal cluster-radius control strategy and optimizes the distribution of cluster-head nodes.In the meantime,the coverage rate is put forward to avoid extra cluster-heads and keep the amount of cluster-head nodes.It uses CH-VCH alternate circulated strategy to simplify the calculation.The simulation reveals that the improved LEACH protocol can solve the problem that the traditional one can not do.It can average the energy consumption and prolong the survival period of the wireless sensor networks.

LEACH protocol;energy consumption;optimal cluster-radius;cluster-head

1000-3428(2014)11-0097-04

A

TP393.02

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.11.019

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21206053);江蘇省六大人才高峰基金資助項(xiàng)目(2012-WLW-006)。

陳 樹(shù)(1969-),男,副教授,主研方向:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及通信,過(guò)程控制與優(yōu)化,現(xiàn)場(chǎng)總線及控制技術(shù);徐 圓,碩士研究生。

2013-11-27

2014-01-20E-mail:95442600@qq.com

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