針對(duì)戶(hù)外應(yīng)用的LEACH路由改進(jìn)分簇區(qū)域算法

王改云 焦傲 陸家卓

摘? 要： 針對(duì)現(xiàn)今無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在戶(hù)外應(yīng)用的特點(diǎn)，考慮到現(xiàn)有的LEACH算法節(jié)點(diǎn)死亡較快，影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和壽命的缺點(diǎn)，該文在LEACH基礎(chǔ)上對(duì)JC?LEACH算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出適用于大范圍環(huán)境下的SR?LEACH算法。該算法將監(jiān)測(cè)區(qū)域按負(fù)荷比例分成區(qū)域的形式，再根據(jù)距離和能量關(guān)系優(yōu)化選舉每個(gè)區(qū)域簇頭，每個(gè)區(qū)域中的簇頭以多跳形式將數(shù)據(jù)傳輸給基站。通過(guò)Matlab仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法在抑制節(jié)點(diǎn)首輪死亡數(shù)與降低節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量上有明顯的改進(jìn)。相比LEACH與JC?LEACH算法，改進(jìn)算法適用范圍較大，并優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的壽命與穩(wěn)定性，拓展了路由算法的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞： 分簇區(qū)域算法;? LEACH; 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò); 區(qū)域劃分; 分簇優(yōu)化; 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）22?0098?04

Abstract： In allusion to the characteristics of wireless sensor network in the outdoor application， and the defects that the network structure and lifetime are influenced due to the reason that the existing LEACH （low energy adaptive clustering hierarchy） algorithm nodes die faster， the JC?LEACH algorithm is improved based on LEACH， and SR?LEACH algorithm suitable for a large?scale environment is proposed. In the SR?LEACH algorithm， the monitoring area is divided into regions according to the load proportion， the cluster heads in each region is optimized and selected according to the distance and energy relationship， and the cluster heads in each region can transmit data to the base station in the form of multi?hop. The simulation results with Matlab show that the improved algorithm has obvious improvement in restraining the number of first?round deaths and reducing the average residual energy of nodes. The improved algorithm has a larger scope of application in comparison with the LEACH and JC?LEACH algorithms， optimizes the network lifetime and stability， and expands the application scope of routing algorithms.

Keywords： clustering area algorithm; LEACH; wireless sensor network; region division; clustering optimization; data transmission

0? 引? 言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)多被要求定位在環(huán)境較惡劣的戶(hù)外，這要求路由節(jié)點(diǎn)必須具有足夠的穩(wěn)定性來(lái)完成定位、數(shù)據(jù)收集及融合等工作。WSN路由算法可分為平面和層次算法，分層路由算法中LEACH于2002年首次被提出。2016年Vishal等考慮到節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)能量不足、內(nèi)存不足的問(wèn)題，對(duì)由LEACH協(xié)議發(fā)展出的多種路由協(xié)議進(jìn)行了評(píng)估，并擴(kuò)展到現(xiàn)有其他的路由協(xié)議中[1]。同年，Amirthalingam K提出一種改進(jìn)的LEACH算法[2]，算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離和剩余的能量為指標(biāo)參數(shù)控制選擇簇頭的概率函數(shù)，加強(qiáng)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和生存周期。2018年王改云提出JC?LEACH[3]算法，該算法針對(duì)家居環(huán)境下的特性，對(duì)傳統(tǒng)的LEACH算法進(jìn)行改進(jìn)，將傳統(tǒng)算法根據(jù)居室的特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比較傳統(tǒng)算法，JC?LEACH算法降低了網(wǎng)絡(luò)的功耗，提升了家居環(huán)境下的適用性。

對(duì)于不同應(yīng)用環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的路由算法無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用要求。本文在LEACH算法基礎(chǔ)上，根據(jù)室外環(huán)境的具體應(yīng)用提出SR?LEACH算法，采用數(shù)個(gè)區(qū)域中的簇頭以多跳形式將數(shù)據(jù)傳輸給基站，實(shí)現(xiàn)降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的作用，以滿(mǎn)足不同環(huán)境下的應(yīng)用。

1? LEACH和JC?LEACH算法

1.1? LEACH算法

LEACH是2002年提出的第一種WSN分層路由算法[4]。由于節(jié)點(diǎn)處于同級(jí)狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)在傳輸過(guò)程中耗能較多。而LEACH路由協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇頭選舉，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化整為零，平衡了節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)了WSN節(jié)點(diǎn)的壽命[5]。

LEACH協(xié)議在每一輪開(kāi)始的時(shí)候，先對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選舉，之后進(jìn)行穩(wěn)定通信。選舉過(guò)程為：

1） 在每一輪開(kāi)始的時(shí)候，選取[0，1]之間一個(gè)隨機(jī)數(shù)，分配給節(jié)點(diǎn)。

2） 在隨機(jī)數(shù)之間設(shè)置閾值函數(shù)。

式中：[p=bN]，表示簇頭占所有節(jié)點(diǎn)的比例;[N]表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;[b]表示網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;[r]是當(dāng)前正在運(yùn)行的輪數(shù);[G]是[1p]輪后尚未轉(zhuǎn)換為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合。

3） 對(duì)步驟1中選取的隨機(jī)數(shù)與閾值[Tn]的值進(jìn)行對(duì)比，如果閾值大于選取數(shù)的值，則其成為本輪通信的簇頭，并確定簇頭和簇的區(qū)域面積。

數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定階段：

1） 簇頭為簇頭區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)建立通信調(diào)度。在穩(wěn)定傳輸節(jié)點(diǎn)之后，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始待機(jī)并進(jìn)入休眠狀態(tài)。最終重新進(jìn)入簇頭選舉的階段。

2） 簇頭節(jié)點(diǎn)將接收到普通節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行融合發(fā)送給基站（網(wǎng)關(guān)）節(jié)點(diǎn)。穩(wěn)定通信階段大于簇頭選舉階段，保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期與穩(wěn)定。

1.2? JC?LEACH算法

作為基礎(chǔ)的分層路由算法，LEACH在不同環(huán)境下的適用性有限。針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求對(duì)LEACH算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。JC?LEACH[3]路由算法針對(duì)家居環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，并根據(jù)居室的特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)，使得其更適用于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境，其通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)通信范圍與能耗均衡的關(guān)系對(duì)分區(qū)內(nèi)簇頭的選取加以限制，達(dá)到降低功耗的目的[6]。圖1為JC?LEACH簇頭數(shù)據(jù)傳輸示意圖。

1.3? LEACH與JC?LEACH算法在戶(hù)外環(huán)境應(yīng)用中的局限性

節(jié)點(diǎn)能耗與壽命問(wèn)題是制約無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)發(fā)展的要素。由圖1可知，JC?LEACH算法中簇頭以單跳的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，距離基站較遠(yuǎn)的簇頭需要消耗簇頭極多的能量傳輸數(shù)據(jù)，很可能造成距離基站較遠(yuǎn)的路由節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡，影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，延時(shí)較大。不能滿(mǎn)足多環(huán)境實(shí)際應(yīng)用中的大范圍、低能耗、長(zhǎng)時(shí)效的要求。

2? SR?LEACH算法

現(xiàn)今在戶(hù)外環(huán)境監(jiān)測(cè)等其他應(yīng)用場(chǎng)所需要大范圍、低能耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)到定位和數(shù)據(jù)的大量傳輸，而小范圍的JC?LEACH算法無(wú)法滿(mǎn)足需求，所以在JC?LEACH基礎(chǔ)上提出一種簇頭優(yōu)化的LEACH路由分簇區(qū)域改進(jìn)的算法，即SR?LEACH算法，使得其適用于更大范圍的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.1? 簇群的建立及首輪簇頭的選舉

針對(duì)戶(hù)外環(huán)境的WSN，有限的區(qū)域劃分方式無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要，根據(jù)負(fù)荷情況與簇頭等級(jí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域劃分，現(xiàn)將WSN網(wǎng)絡(luò)劃分為16個(gè)區(qū)域。其中每個(gè)區(qū)域代表一個(gè)分簇區(qū)域。根據(jù)基站的位置從遠(yuǎn)及近設(shè)置簇頭級(jí)別，區(qū)域1～4的簇頭作為A級(jí)，區(qū)域5～8的簇頭作為B級(jí)，依次類(lèi)推。

2.2? 其余輪簇頭選舉和簇頭間的通信

首輪簇頭選舉和信息數(shù)據(jù)的通信后，節(jié)點(diǎn)內(nèi)剩余能量不等，基站通過(guò)比較每個(gè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)反饋回的能量信息確定此輪每個(gè)成簇區(qū)域的簇頭節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)通信模式和首輪一樣，一直循環(huán)到目標(biāo)輪為止。

2.3? 結(jié)果與分析

2.3.1? 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在Matlab 2016a上進(jìn)行仿真模擬，針對(duì)戶(hù)外環(huán)境，仿真模擬在室外基站處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)邊緣的情況，基站位置坐標(biāo)（250，0），[n=300]個(gè)路由節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在500 m×500 m的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)劃分的16個(gè)域內(nèi)。然后對(duì)三種算法的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖4是路由節(jié)點(diǎn)和基站的分布圖，其中，星號(hào)代表基站位置。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

2.3.2? 結(jié)果分析

運(yùn)用Matlab仿真軟件對(duì)LEACH，JC?LEACH和SR?LEACH算法的節(jié)點(diǎn)分布和數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)得到各個(gè)算法的節(jié)點(diǎn)分布圖和每輪簇頭的數(shù)據(jù)傳輸路徑圖。圖5為三種算法中[p]為0.05時(shí)的節(jié)點(diǎn)分布和簇頭傳輸數(shù)據(jù)路徑。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的時(shí)代，作為WSN關(guān)鍵技術(shù)之一的路由算法的改進(jìn)至關(guān)重要。現(xiàn)有的LEACH算法并不能被廣泛的應(yīng)用，且容易造成節(jié)點(diǎn)快速死亡，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。本文在LEACH算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)JC?LEACH算法提出一種適用于更加惡劣環(huán)境的SR?LEACH算法。通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)三種算法結(jié)果對(duì)比分析，表明改進(jìn)算法的首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡輪數(shù)得到了優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量較比較算法有所提升，可以有效地節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗，增加節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間，優(yōu)化了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命與穩(wěn)定性。

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