無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH算法的改進(jìn)

王浩

摘要：本文提出了一種LEACH協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議（L-LEACH）。這是一種有效的路由協(xié)議，可以延長電池的使用壽命。L-LEACH考慮剩余能量和簇頭選擇，并為WSN提供節(jié)能傳輸方案。與傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議相比，所提出的方法在活節(jié)點(diǎn)數(shù)，能量耗散，消息成本方面提供了更好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：能源管理；節(jié)能方法；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH；簇頭選擇

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0137-01

1 LEACH協(xié)議概述

由于使用大量小型和低成本傳感器節(jié)點(diǎn)的可行性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）已被許多研究人員所關(guān)注。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)視和收集有關(guān)本地區(qū)域的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)報(bào)告給匯聚節(jié)點(diǎn)（基站）進(jìn)行分析。WSN廣泛應(yīng)用于監(jiān)控環(huán)境，軍事，工業(yè)，安全，家庭應(yīng)用和醫(yī)療保健等領(lǐng)域[1]。

LEACH是一種分層的跨層協(xié)議架構(gòu)，它將媒體訪問與路由相結(jié)合，收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交尽榱双@得低能耗，增加網(wǎng)絡(luò)生命周期，LEACH使用包含許多迭代的分層方法。每次迭代包括設(shè)置階段和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段[2]。在設(shè)置階段從所有傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇簇頭，并動(dòng)態(tài)創(chuàng)建多個(gè)簇。在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段，每個(gè)集群中的成員節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鼈冏约旱拇仡^。從成員節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)被壓縮并將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

2 簇頭選擇

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0到1之間的隨機(jī)數(shù)，然后與LEACH協(xié)議的公式產(chǎn)生的閾值T（n）做比較，若小于T（n），那么該節(jié)點(diǎn)可能當(dāng)選為簇頭。如果最終當(dāng)選為簇頭，則廣播消息告知其它節(jié)點(diǎn)，等待其它非簇頭節(jié)點(diǎn)的加入。

式中，p為簇首的比例，r表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行的輪數(shù)，G表示在最后的1/p輪中還沒有成為簇首節(jié)點(diǎn)的集合。在r=0時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以p的概率成為簇頭，經(jīng)過1/p-1輪后閾值變?yōu)?。

3 網(wǎng)絡(luò)能耗模型

LEACH算法的能耗模型為：

（2）

（3）

是發(fā)送k比特?cái)?shù)據(jù)、傳輸距離d的能耗，則是接收k比特?cái)?shù)據(jù)的能耗。

4 LEACH協(xié)議的缺點(diǎn)

與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法相比，LEACH協(xié)議能夠延長15%的網(wǎng)絡(luò)周期，但仍有一些缺點(diǎn)：（1）LEACH協(xié)議假定所有的節(jié)點(diǎn)都可以與基站直接通信，所以它不能應(yīng)用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中[3]。（2）沒有考慮節(jié)點(diǎn)所剩余的能量，采取隨機(jī)選擇簇頭的方式，導(dǎo)致能量低的節(jié)點(diǎn)也能被當(dāng)選為簇頭，加速節(jié)點(diǎn)的死亡。（3）不考慮簇頭節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)簇頭離匯聚節(jié)點(diǎn)很遠(yuǎn)時(shí)仍采用單跳通信的方式，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)消耗大量能量。

5 改進(jìn)的L-LEACH協(xié)議

改進(jìn)后的L-LEACH協(xié)議考慮加入節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)的距離以及節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量這兩個(gè)因素。其中，新算法的建立和穩(wěn)定傳輸階段與傳統(tǒng)LEACH算法大致相同，主要是在選擇簇頭時(shí)加入兩個(gè)新因子以平衡簇頭的選擇。

5.1 間距因子

無線傳輸?shù)陌l(fā)射功率和接收功率的關(guān)系為：，PT是發(fā)射功率，PR是接收功率，r是傳輸距離，n為傳輸因子。可以看出接收功率和傳輸距離成反比，也就是說節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，接收到的信號(hào)就越弱。由此，匯聚節(jié)點(diǎn)可以通過自身接收到的最弱信號(hào)得知與其距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)，記其至匯聚節(jié)點(diǎn)的距離為dmax。記傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離為di，同樣，這些信息可以通過和匯聚節(jié)點(diǎn)間的通信得知。那么間距因子則為：。di為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，dmax則為所有節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離。若節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離過遠(yuǎn)，比如大于能耗模型中的d0，那么其傳輸能耗將會(huì)消耗更多能量，此時(shí)應(yīng)使該節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的概率有所降低。

5.2 能量因子

網(wǎng)絡(luò)剛部署時(shí)各節(jié)點(diǎn)剩余能量大致相同，但隨著時(shí)間流逝，各節(jié)點(diǎn)剩余能量參差不齊，這時(shí)候就要盡量選擇剩余能量高的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。記當(dāng)前節(jié)點(diǎn)能量為Ei，所有節(jié)點(diǎn)初始能量為Emax.。則能量因子為：。這樣會(huì)使剩余能量過低的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的概率相應(yīng)降低。

6 結(jié)語

本文在考慮了距離因素和剩余能量因素后，提出了一種基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議L-LEACH。該協(xié)議可以降低能量消耗，提高能量效率，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間。具有實(shí)際意義。除此之外，可以考慮在如何均勻分簇這一點(diǎn)上多下功夫，以期獲得更好的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] Liao Q， Zhu H.An Energy Balanced Clustering Algorithm Based on LEACH Protocol[J].Applied Mechanics & Materials，2013，341-342：1138-1143.

[2] Zeydan E，Kivanc D，Comaniciu C，et al.Energy-efficient routing for correlated data in wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2012，10（6）：962-975.

[3] Arumugam G S，Ponnuchamy T.EE-LEACH： development of energy-efficient LEACH Protocol for data gathering in WSN[J].Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking，2015，2015（1）：1-9.

Abstract：This paper proposes an improved protocol for LEACH protocol （L-LEACH）. This is an effective routing protocol that extends battery life. L-LEACH considers residual energy and cluster head selection and provides an energy efficient transmission scheme for WSN. Compared with the traditional LEACH protocol， the proposed method provides better results in terms of the number of live nodes， energy dissipation， and message cost.

Key words：energy management；energy saving method；wireless sensor network；LEACH； cluster head selection