無線傳感器網絡LEACH協議的研究與改進

郭宏巖

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045）

0 引言

無線傳感器網絡具有網絡靈活性強、網絡規模可變等優點，廣泛應用于軍事、工業等領域。無線傳感器網絡的基本網絡路由協議可以分為平面路由協議和層次路由協議。由于平面路由協議需要維護大的路由表和占用更多的存儲空間，因此它們不適合于大規模網絡，因此分層路由協議試圖通過將節點安排在簇或樹結構中，使一些節點在很近的距離內傳輸到一個節點，并將其用于讓這些節點將此信息轉發到基站。LEACH是一種比較成熟的具有代表性的經典分層路由算法。其他分層路由協議如pegasis、teen等在LEACH上得到了改進，因此LEACH更具代表性。本文主要研究LEACH算法，在降低功耗的基礎上進行了改進[1-2]。

1 LEACH協議

1.1 LEACH概述

LEACH協議是麻省理工學院Heinzelman等人為無線傳感器網絡提出的一種低功耗自適應分簇路由協議。LEACH協議的操作是輪詢進行的，每輪包含兩個階段，即集群的建立和穩定運行[3]。

1.2 LEACH的缺點

LEACH協議是一種基于簇的路由協議，它采用隨機的、自組織的自適應聚類方法和局部控制進行數據傳輸。同時采用低功耗MAC協議及相關信息處理技術，達到節能的目的。同時，它也有一些缺點：一是LEACH協議每輪隨機選擇簇頭。因此，一些節點由于多次被選為簇頭而導致能量消耗過快。本文改進后的協議使得剩余能量較大的節點有更多的機會作為簇頭，避免了整個網絡過早死亡。二是LEACH協議中每輪的簇頭數目是不確定的，因此簇頭數目可能不是最優的。隨機數只能取相似簇的個數在最佳且期望的個數相等，但事實上每輪的簇個數和最優值都存在一定的偏差，導致LEACH協議性能下降。

2 改進方案I-LEACH

2.1 聚類過程

針對上述不足，本文提出了一種改進的LEACH協議I-LEACH（改進LEACH）算法，主要是對其集群的進程進行優化。選擇一個簇頭節點考慮能量狀態，即所有傳感器節點必須監測能量的變化，如果能量低于平均能量水平，則降低其成為第一個簇的概率。同時優化簇的形成，使初始簇從基站進入簇頭較高，降低簇頭的能耗。

2.2 初始簇頭

在我們的LEACH閾值t（n）中，通過添加能量因子來改進，改進的t（n）重置為等式1：

2.3 簇頭的形成

在選擇簇頭時，除了使用LEACH的不同閾值外，還選擇節點作為初始簇頭，此時初始簇開始以半徑d0廣播自己的簇頭開始正式競爭，信號傳輸距離越短，能量越小消費。這里使用了自由空間信道模型和多徑衰落信道模型無線信道模型。如果發射機之間的接收距離小于，則使用自由空間模型，該模型從能量損耗中發送數據并與平方成正比；否則，使用多徑衰落信道模型即雙徑模型，此時發射機發送數據的能量損耗與距離成正比，與四次方成正比。為了使這里的能量消耗最小，所以取r值為半徑d0，其中為功率放大器的自由空間損耗，為多徑衰落下的功率放大器損耗。

當節點接收到廣播時，如果選擇了初始簇頭，則要比較權重w（w是基站節點之間的距離）以選擇最小w作為簇頭節點的節點數。其他初始節點變為非簇頭節點。這樣減少了簇頭到基站的距離，節約了能源。確定簇頭后，簇頭節點開始在簇內廣播其形式狀態。非簇首節點的集群開始發送加入消息，當簇首接收到所有添加的消息時，根據成員節點的個數，以TDMA方式為每個非簇成員分配一個時隙，并用廣播方式發送給所有簇內節點，這將確保集群內的每個節點在相應的數據傳輸時，在其他時間進入冬眠狀態，減少能量消耗。節點知道數據的時隙后開始傳輸數據，而簇頭的能量則需要一直開啟。

3 仿真分析

3.1 仿真參數設置

仿真參數設置開始時，利用100個節點隨機分布在（100，100）空間中，基站位置（50，175）中所有節點都是靜態的，帶寬設置為1Mb/s，數據長度為500字節，每個節點的初始功率為2J。

3.2 仿真結果

仿真研究主要結果為：一是在250s后，I-LEACH路由協議比LEACH路由協議具有更低的能耗，同具有更好的整體能量利用率。二是LEACH協議在400s時出現第一個節點死亡，而I-LEACH協議在420s時出現第一個節點死亡，改進后的協議節省了能量，縮短了節點的死亡時間。因此延長了整個網絡的生命周期。

4 結束語

本文改進了傳統的LEACH算法，優化簇頭節點，減少簇頭節點的多余能耗。通過仿真，改進后的算法在一定程度上提高了網絡節點的生存率，延長了網絡的生存期，減少了網絡的能源消耗。