基于最優簇頭數的LEACH 算法的改進

羅丹霞 湖南工學院計算機與信息科學學院

1 LEACH 路由協議

LEACH 路由協議是分層的傳感器網絡路由協議。該算法的基本思想是[1]：在簇生成階段，各節點（SN）隨機選取一個介于（0，1）之間的值，若該值小于閾值T（n），則該節點成為簇頭(CH)。閾值T（n）的計算公式如下：

公式1：閾值計算公式

由于簇頭選取的隨機性，有以下四個缺點：

（1）簇頭分布不能保證均衡。（2）每輪簇頭數量隨機。（3）簇頭的選取沒有考慮節點的剩余能量。（4）簇頭與BS 通信采用單跳的方式。

2 改進后的LEACH-EN 算法原理設計

2.1 最優簇頭數的計算

在 L E A C H 協議算法中，采用第一順序無線電信道模型。

根據此模型，傳感器節點發送Kbit 字節的能量消耗為：

一般認為BS 距離節點較遠，所以采用多徑衰減模型即d4進行計算。

每個非簇頭節點僅僅需要將自己的數據傳輸給簇頭節點。由于簇頭節點和非簇頭節點間的距離相對較近，所以能量消耗遵循自由空間衰減信道模型。每個非簇頭節點消耗的能量為：

這樣，一個簇在一幀內的能耗為

2.2 LEACH-EN 準備階段

圖1 節點分布圖

本文采用九宮格區域劃分法，假設基站位于區域上方（50，100）的位置。初始化時每個節點根據自己的位置判斷所在方格，保存自身到基站的距離。算法如下：

for i=1：i：n

if(i 的坐標位于區域1)

s(i).area_id=1；

……..

if(i 的坐標位于區域9)

2.3 LEACH_EN 簇頭選舉

為了修正原來算法中簇頭選取沒有考慮節點的剩余能量，結合最優簇頭數，本文修正簇頭選舉閾值公式2 為：

公式2 改進后的閾值公式

簇頭選擇偽碼如下：

IF 輪數r 為奇數

For i=1：1：n

If 節點i 格子編號在2，6，6，8，5&&節點i 的剩余能量大于該區域平均能量&&該區域未有簇頭

該節點當選簇頭

Else

For i=1：1：n

If 節點i 格子編號在1，3，5，7，9&&節點i 的剩余能量大于該區域平均能量&&該區域未有簇頭 該節點當選簇頭

3 仿真實驗及結果分析

3.1 仿真模型

本文使用MATLAB[5]對LEACH-EN 進行了仿真，并和LEACH協議進行了對比，仿真主要參數如表1：

表1 仿真參數

數據包的大小為2000 bit，簇頭的數據壓縮率為 0.7，即有 2 000 bit 數據發送到簇頭，經簇頭處理之后就將1400 bit 傳給簇頭中繼。數據融合消耗的能量為 5 J/bit/message，傳輸的能量為 50 nJ/bit。

3.2 LEACH 協議與LEACH-EN 仿真結果對比

圖2 的結果是因為改進后的LEACH-EN 才用了多跳于單挑相結合的通信方式，使得簇頭有節點較為有效地節約了能量。另外分簇結構更合理，使得網絡總的信息處理量要小，故而節約了能量。

圖2 總能量消耗對比

圖3 所示改進后的協議在提高網絡生存時間上有所提高。這是因為合理的分簇能夠有效地均衡網絡能量，使得整個網絡生命周期得以延長。

圖3 網絡生存時間對比