基于LEACH的無線傳感器路由協議仿真分析

陳妮

【摘 ?要】針對典型的無線傳感器網絡低能量自適應聚類協議（LEACH）進行性能仿真分析。從無線傳感器網絡匯聚節點的位置、路由協議運行的輪周期以及簇頭選舉的概率等方面進行LEACH路由協議的性能分析，并在LEACH的基礎上提出一種改進的路由協議，該協議比LEACH的能耗更低。

【關鍵詞】LEACH;路由;仿真

1.前言

無線傳感器網絡的路由協議是無線傳感器網絡數據傳輸的基礎。低能量自適應聚類協議（LEACH）是最為典型的分簇式路由協議，許多路由協議或算法都是在其基礎上進行改進和設計得來。

因此本文主要從無線傳感器網絡匯聚節點的位置、路由協議運行的輪周期以及簇頭選舉的概率等方面分析LEACH路由協議的性能，并分析參數不一致時仿真運行可能出現的不同現象，并在LEACH的基礎上提出一種混合的路由協議。

2.LEACH協議簡介

LEACH是一種基于自組織和自適應的協議[1]。該協議首先將區域劃分為簇，簇內普通節點直接與本地簇首傳輸，簇首融合處理本簇的數據后單跳傳輸至匯聚節點。LEACH協議以“輪”為運行的時間單位。由于簇首的能耗比較大，每輪簇首節點將重新隨機選舉，有效避免當選簇首的節點能量消耗過快，過早退出網絡。

假設節點傳輸距離為 ，發送 比特的信息將消耗能量：

接收 比特數據的能耗為：

其中， 表示收發電路的能量損耗， 表示通信半徑， 和 分別表示自由空間模型和多徑衰落模型的放大系數，傳輸距離大于通信距離時網絡的能量消耗為自由空間計算模型，傳輸距離小于通信距離時網絡的能量消耗為多徑衰落計算模型。

可見節點間數據傳輸的能耗與通信距離相關，距離越遠能耗越大。

2.1 簇首選舉

LEACH協議每輪運行過程中，每個節點生成一個0到1之間的隨機數，如果該隨機數小于閾值 ，則該節點在此輪選為簇首。閾值 的公式如下：

其中 是網絡中節點的總數， 表示當前的輪數， 表示每輪希望得到的簇首個數， 表示網絡中簇首概率， 表示未當選過簇首的節點集合。

2.2簇的形成

每輪的選舉結束后，簇首將向網絡中所有普通節點廣播自己成為簇首的消息。普通節點由此得知自己周圍簇首節點的ID信息以及個數，以及在收到簇首的廣播后，選擇接收信號強的簇首加入它的簇。

每個簇首節點都負責維護自己所屬簇成員的路由表，傳輸數據時，簇首節點采用TDMA為簇內節點分配各自通信的時隙，而在其它時間中一直處于休眠狀態，以此來減少節點無線通信模塊的能耗。

3.LEACH協議性能分析

采用Matlab進行仿真，仿真選擇傳感器節點數目為100個，分別部署在100m*100m的目標區域，仿真輪數2000輪，節點的初始能量為0.5J，能耗模型中發送信息能耗為0.00000005J/bit，接收信息能耗為0.00000005J/bit，自由空間放大器系數0.00000000001J/（bit·m2），數據融合能耗0.000000005J/ bit，多徑衰落放大器系數為0.00000000000000013J/（bit·m4）。

3.1匯聚節點位置對網絡的影響

以匯聚節點的坐標分別為（50，180）、（50，50）、（180，50）來進行仿真，圖1結果表明第二組節點的生命周期最長。因為LEACH協議中簇首與匯聚節點以單跳的方式直接傳輸，兩者距離越大時，傳輸耗能越大，位于區域中心（50，50）的匯聚節點，與網絡中各簇首節點的距離較近，能夠一定程度減少各簇首與匯聚節點之間的能量消耗，增長網絡的運行生命周期。

3.2簇首概率和輪周期對網絡的影響

以每輪選舉為簇首的概率 分別為0.05%、0.08%、0.1%來進行仿真，輪周期選擇 輪為一個周期，圖1結果表明概率為0.05%時節點的生命周期最長。但并不代表各種場景都是 值越小生命周期越長，而是要根據總節點的個數得到一個合適的簇頭數。因為簇首過多時，網絡會消耗過多的能量用于數據融合和向匯聚節點傳輸;當簇首節點過少時，某些處于網絡邊緣的簇首與匯聚節點距離較遠，進行通信會消耗更多的能量。同時對于輪周期來說，太長會導致大部分節點中已經被當選過簇頭，而導致簇頭數過少，節點加入較遠的簇頭而導致節點的能量消耗過快，太短會導致部分節點多次當選簇頭而導致節點過早死亡。在進行仿真時，在輪周期過長時，需要關注是否存在“空轉”現象，即這一輪的運行實際沒有選出簇頭，因此節點和簇頭間也不會通信，也就沒有消耗能量，在仿真中需要將這樣的”空轉“現象排除掉，否則仿真的結果與實際結果是有偏差的。

4.改進的混合LEACH算法

為了適合更廣泛的網絡拓撲結構，提出了一種改進的LEACH算法。每一輪運行時，根據LEACH算法選出簇頭后，節點判斷自己與基站的距離近還是某簇頭的距離近，若與基站近，直接發送數據給基站而不加入任何簇，從而可以降低節點本身的能量消耗，以及簇頭的能量消耗。相對與最初的LEACH協議來說，在能量消耗方面有所改進。

5.結論

通過對LEACH協議的性能分析，提出來一種改進的LEACH協議算法，該算法比LEACH協議有更低的能量消耗。

參考文獻：

[1]Heinzelman W R Chandrakasan A P，Balakrishnan H . Energy-efficient communication protocol for wireless sensor networks[C]，Hawaii International Conference on System Sciences. IEEE，2000.

[2]馬宏飛.無線傳感器網絡高能效分簇路由協議的研究[D]. 哈爾濱理工大學，2021.

基金項目：

物聯網中無線傳感器網絡安全關鍵技術研究（成都工業學院校級項目，編號2019ZR025）