王亭 王瑩瑩 陳曉磊

【摘要】 針對(duì)WSN能耗進(jìn)行研究，在簇頭選擇過程中利用節(jié)點(diǎn)的能量、鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)以及簇頭數(shù)等參數(shù)設(shè)置節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的優(yōu)先度；在簇的組建過程中利用能量參數(shù)設(shè)置簇的重建條件，達(dá)到減小簇的重建頻率的目的，有效地防止網(wǎng)絡(luò)中熱點(diǎn)問題的出現(xiàn)。

【關(guān)鍵字】 WSN LEACH 分簇機(jī)制

一、引言

在WSN的研究中，良好的分簇機(jī)制能有效實(shí)現(xiàn)路徑的選擇及資源管理，減少節(jié)點(diǎn)維護(hù)拓?fù)浜蛷V播數(shù)據(jù)的能耗 [1]。目前針對(duì)LEACH的研究正在深入。

Kim等人提出使用代理簇頭，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎拇笥陂撝禃r(shí)，則采用代理簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸過程的準(zhǔn)確性，其中，代理簇頭為距離簇頭最近的且能量最高的節(jié)點(diǎn)[2]。

Ma Chaw Mon Thein等人提出利用節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量與初始能量以及簇頭的個(gè)數(shù)影響閾值，保證簇頭有足夠的能量完成網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行（簡(jiǎn)稱為“Kopt算法”）[3]。目前關(guān)于LEACH算法的改進(jìn)已經(jīng)取得顯著的成就，但在網(wǎng)絡(luò)能量的均衡分布以及能量利用率方面有待提高。

二、算法的改進(jìn)

針對(duì)目前分簇算法存在的問題，改進(jìn)算法利用節(jié)點(diǎn)的能量、鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)中簇頭的個(gè)數(shù)以及節(jié)點(diǎn)間的距離等，針對(duì)簇頭的選擇提出改進(jìn)方案，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

2.1 簇頭選擇

利用節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量、初始能量以及每一輪簇頭個(gè)數(shù)影響，選出候選簇頭，然后計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)，及節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)的平均值，在時(shí)，將此節(jié)點(diǎn)選為簇頭。其中閾值計(jì)算方法如下所示：

2.2 簇的重建

網(wǎng)絡(luò)以輪的方式運(yùn)行，每輪開始前，對(duì)當(dāng)前簇內(nèi)的能量以及簇頭能量進(jìn)行比較，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)總能量滿足所需值，且SCH.E≥Eth則說明簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能夠保證下一輪的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，則網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸階段。反之則進(jìn)入簇頭的重新選擇以及簇的重建階段。其中，第r輪節(jié)點(diǎn)的能量閾值Eth的計(jì)算公式如下：

2.3 算法分析

在LEACH算法的基礎(chǔ)上，采用新型的簇頭選擇機(jī)制保證節(jié)點(diǎn)能量負(fù)載的均衡化，同時(shí)通過對(duì)簇的重建條件的設(shè)置降低了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涞淖兓l率，使網(wǎng)絡(luò)能量得到有效利用。該算法的優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）降低簇的重建次數(shù)；通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量閾值的設(shè)置，在簇節(jié)點(diǎn)以及簇頭的能量不能保證網(wǎng)絡(luò)下一輪運(yùn)行時(shí)重新構(gòu)造簇，降低網(wǎng)絡(luò)的重建頻率，減少構(gòu)造簇消耗的能量，有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

（2）簇頭的選擇不完全是隨機(jī)的；在保證節(jié)點(diǎn)有相同的機(jī)會(huì)當(dāng)選簇頭的前提下，根據(jù)每輪節(jié)點(diǎn)的剩余能量、鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)等參數(shù)設(shè)置其當(dāng)選簇頭的優(yōu)先度；以使簇頭均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)中，避免剩余能量低的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，有效的防止網(wǎng)絡(luò)空洞的出現(xiàn)。

三、仿真實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)改進(jìn)算法和LEACH、Kopt算法進(jìn)行了仿真和性能比較。實(shí)驗(yàn)顯示，LEACH、Kopt算法、改進(jìn)算法的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡（FND）分別為133、205、194，一半節(jié)點(diǎn)死亡（HND）為402、511、1077、全部死亡（LND）為1087、1294、大于1500。由此可見，三種算法FND時(shí)間差不多，改進(jìn)算法可以顯著地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)HND、LND的死亡時(shí)間，即隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的增加，使用改進(jìn)算法的網(wǎng)絡(luò)與使用LEACH、Kopt算法的網(wǎng)絡(luò)相比，不僅可以使簇頭均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)中，使能量消耗均勻的分布在各節(jié)點(diǎn)上，達(dá)到平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的目的，使網(wǎng)絡(luò)的能量得到均衡的利用，而且有效地提高能量利用率，顯著的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

四、結(jié)束語

本文針對(duì)LEACH算法進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)簇頭選擇提出改進(jìn)方案，使網(wǎng)絡(luò)中簇頭的分布更加均勻，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹亟l率，網(wǎng)絡(luò)的能量利用率更加高效。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Kumarawadu P et al. Algorithms for Node Clustering in Wireless Sensor Networks： A Survey [C].Information and Automation for Sustainability， 2008： 295 – 300.

[2] K.T. Kim， et al. An Energy Efficient Routing Protocol in Wireless Sensor Networks”. International Conference on Computational Science and Engineering， pp.132-139， 2009.

[3]Ma Chaw Mon Thein.et al An Energy Efficient Cluster-Head Selection for Wireless Sensor Networks [C].Intelligent Systems， Modelling and Simulation， 2010： 287 - 291.