周 萌，陳躍東，陳孟元

安徽工程大學(xué) 安徽省電氣傳動與控制重點(diǎn)實驗室，安徽 蕪湖 241000

能耗最優(yōu)的LEACH協(xié)議改進(jìn)

周 萌，陳躍東，陳孟元

安徽工程大學(xué) 安徽省電氣傳動與控制重點(diǎn)實驗室，安徽 蕪湖 241000

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種新興的信息感知和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)人與物理世界的通信和信息交互，在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，且往往部署于惡劣的、人類難以到達(dá)的環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)電能耗盡后難以及時補(bǔ)充或更換，因此能耗問題是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和發(fā)展的首要問題。

路由協(xié)議是組網(wǎng)的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，改進(jìn)適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可以有效降低節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。LEACH協(xié)議（低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議，Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是具有代表性的層次路由，采用區(qū)域集中控制的方法，從各區(qū)域節(jié)點(diǎn)中選出簇頭，通過簇頭向基站轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)信息，與直接傳輸、最小傳輸能量等路由相比較，可以有效降低節(jié)點(diǎn)能耗[2-3]。

LEACH協(xié)議執(zhí)行過程中，由于部分節(jié)點(diǎn)耗能過快、過早死亡會造成網(wǎng)絡(luò)不完全聯(lián)通，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，因此網(wǎng)絡(luò)能耗不均是LEACH協(xié)議急需解決的首要問題。

2 LEACH協(xié)議

2.1 協(xié)議原理及分析

LEACH協(xié)議按“輪”周期執(zhí)行，每輪包括簇頭選取、簇的形成和數(shù)據(jù)傳輸三個階段。在簇頭選取階段，各節(jié)點(diǎn)分配一個介于0～1的隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)大于本輪的閾值，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭。簇頭選取完成后，簇頭向周圍節(jié)點(diǎn)廣播通告自身的簇頭狀態(tài)、ID和本簇的分組頭。周圍節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號的強(qiáng)度確定加入最近距離的簇，并將自身和簇頭的ID通知相應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭以TDMA方式安排簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時間調(diào)度，節(jié)點(diǎn)按分配的時隙將數(shù)據(jù)傳送給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)包去冗處理后，按照不同的CDMA代碼直接發(fā)送給基站。

LEACH協(xié)議中，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)僅在分配的時隙內(nèi)開啟無線發(fā)送裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其余時間進(jìn)入休眠狀態(tài)，大量節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能量；同時，簇頭在發(fā)送數(shù)據(jù)前經(jīng)過去冗處理，減小了發(fā)送開銷。但LEACH協(xié)議的簇頭選取沒有考慮參選節(jié)點(diǎn)自身的因素，僅依靠隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，造成簇頭分布不均、簇的規(guī)模差異大、簇頭能耗不均；數(shù)據(jù)傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)能耗與距離呈指數(shù)增長，距離基站遠(yuǎn)處的簇頭需要消耗大量能量將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至基站，造成能耗過快、過早死亡。

2.2 協(xié)議相關(guān)研究

針對LEACH協(xié)議的不足，近年來許多學(xué)者進(jìn)行了研究和改進(jìn)。針對簇頭選取、分布不合理，文獻(xiàn)[4]結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量和距離因素改進(jìn)了閾值公式；文獻(xiàn)[5]將節(jié)點(diǎn)能耗比和度作為簇頭選擇依據(jù)；文獻(xiàn)[6]在閾值中考慮了節(jié)點(diǎn)密度和剩余能量；文獻(xiàn)[7]中的簇頭選取概率由局部區(qū)域節(jié)點(diǎn)的分布數(shù)量控制；文獻(xiàn)[8]綜合考慮了節(jié)點(diǎn)能量和位置信息，這些改進(jìn)方法從一個方面或者多個方面優(yōu)化了簇頭節(jié)點(diǎn)的當(dāng)選條件，但是對影響因子歸納和定量的全面性存在一定不足。在簇的形成階段，文獻(xiàn)[9]提出了簇頭競爭半徑自適應(yīng)調(diào)節(jié)成簇的方法；文獻(xiàn)[10]通過減小近基站節(jié)點(diǎn)的成簇半徑實現(xiàn)非均勻分簇，文獻(xiàn)[11]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇；文獻(xiàn)[12]采用遺傳模擬退火算法進(jìn)行固定分簇，這些改進(jìn)與簇頭選取方案相適應(yīng)，共同達(dá)到均衡簇頭能耗的目的。在數(shù)據(jù)傳輸策略上，文獻(xiàn)[13]通過最優(yōu)跳數(shù)路徑降低網(wǎng)絡(luò)能耗；文獻(xiàn)[14]將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的高度值形成樹，使簇內(nèi)數(shù)據(jù)沿樹傳輸；文獻(xiàn)[15]利用位置信息選擇能耗最小的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)簇頭，這些成果表明，LEACH協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)該由單跳改進(jìn)為多跳或者單多跳結(jié)合，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇也要以能耗最小為目標(biāo)。還有一些研究者討論了多跳路由中距離和能量的關(guān)系，文獻(xiàn)[16]提出能距比的概念并計算出節(jié)點(diǎn)的最佳發(fā)送距離，文獻(xiàn)[17]推導(dǎo)了單多跳節(jié)能的臨界距離。

AD-LEACH協(xié)議是在以上研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響簇頭分布的因素，細(xì)分了節(jié)點(diǎn)的類型，進(jìn)行閾值的改進(jìn)。在簇的形成階段，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身坐標(biāo)計算所屬簇的矩陣二維值，通過匹配方式將網(wǎng)絡(luò)分成若干個均勻的網(wǎng)格。數(shù)據(jù)傳輸采用單多跳結(jié)合的方式，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選取結(jié)合了最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離和剩余能量，可調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)收斂的速度，較好地解決了簇頭分布和網(wǎng)絡(luò)能耗不均的問題。

3 AD-LEACH協(xié)議

3.1 簇頭選取過程

影響簇頭在網(wǎng)絡(luò)分布和能耗的因素主要有節(jié)點(diǎn)能量、和基站的距離、節(jié)點(diǎn)密度等。簇頭節(jié)點(diǎn)必須具有足夠高的能量，用以處理和轉(zhuǎn)發(fā)本簇數(shù)據(jù)，同時簇頭的分布需要考慮節(jié)點(diǎn)密度和多跳路由引入的“熱區(qū)”問題。AD-LEACH協(xié)議區(qū)分出三類特殊節(jié)點(diǎn)，包括：I型高能節(jié)點(diǎn)；II型“熱區(qū)”節(jié)點(diǎn)；III型密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)，通過提高特殊節(jié)點(diǎn)的當(dāng)選概率，均衡簇頭的負(fù)擔(dān)。

網(wǎng)絡(luò)中非特殊的節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)，閾值公式與LEACH協(xié)議相同，表示為：

對于特殊節(jié)點(diǎn)，做出以下定義：

定義1若節(jié)點(diǎn)能耗率與網(wǎng)絡(luò)平均能耗率的商差值?小于0，滿足公式：

定義4若節(jié)點(diǎn)滿足公式（1）、（2）、（3）中兩項或以上，則該節(jié)點(diǎn)為交集節(jié)點(diǎn)，其閾值公式T4(n)通過加權(quán)方式確定。ε、η、θ分別為I、II、III型節(jié)點(diǎn)的加權(quán)值：

與LEACH簇頭選取的目前改進(jìn)方案相比，AD-LEACH從造成能耗失衡的根源出發(fā)，按照節(jié)點(diǎn)自身特點(diǎn)進(jìn)行了分類，并有針對性地改進(jìn)了簇頭當(dāng)選概率，使簇頭選取更合理性、網(wǎng)絡(luò)能耗更均勻。

3.2 分簇過程

在簇頭選取過程中，AD-LEACH已經(jīng)權(quán)衡了節(jié)點(diǎn)能量、位置等因素的影響，采用不均勻分簇的方法會造成因素之間影響失衡，并不適用于AD-LEACH。

AD-LEACH協(xié)議通過節(jié)點(diǎn)位置模糊匹配的方式將網(wǎng)絡(luò)分成若干個相同大小的網(wǎng)格。矩形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域長為L，寬為W，將長邊劃分為a等分，寬邊劃分為b等分，網(wǎng)絡(luò)被等分為a×b個矩形網(wǎng)格。為了保證網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)可靠通信，a、b的選值滿足約束條件 4(W2a2+L2b2)＜a2b2d2，d為節(jié)點(diǎn)的通信半徑。如圖1所示，按照矩陣排列給所有網(wǎng)格分配一個二維值 (i，j)，i=1，2，…，L/a; j=1，2，…，W/b。

所有節(jié)點(diǎn)計算自身所屬網(wǎng)格的二維值，滿足位置匹配條件的節(jié)點(diǎn)劃分在同一網(wǎng)格。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸過程

AD-LEACH協(xié)議采用基于最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離的數(shù)據(jù)傳輸方式，包括以下過程：

圖1 網(wǎng)格二維值分布示意圖

（1）定義距離閾值d_limit，若簇頭節(jié)點(diǎn)n與基站的距離小于d_limit，節(jié)點(diǎn)采用單跳方式，直接與基站通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。

（2）若簇頭節(jié)點(diǎn)n與基站的距離大于d_limit，先完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)格內(nèi)的簇頭接收本簇節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，若一個網(wǎng)格包含多個簇頭，普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送至距離最近的簇頭。

（3）簇內(nèi)數(shù)據(jù)處理完成后，各個網(wǎng)格中的簇頭成為待轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行簇外數(shù)據(jù)傳輸，采用多跳方式，選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)傳送至基站。

多跳方式的數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖2所示。

圖2 Ad-LEACH協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸流程圖

以簇頭節(jié)點(diǎn)n為圓心，dc+db和dc-dl為外徑和內(nèi)徑作圓環(huán)，在圓環(huán)區(qū)域內(nèi)選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，其中，dc為最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離，當(dāng)節(jié)點(diǎn)選擇距離為dc的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)的能量利用率最高，dc+db、dc-dl分別為外徑和內(nèi)徑的增補(bǔ)量，控制節(jié)點(diǎn)搜索面積。

若圓環(huán)區(qū)域內(nèi)有N個簇頭，剩余能量分別為E1、 E2、…、EN，和基站的距離分別為 d1、d2、…、dN，為了使數(shù)據(jù)盡快轉(zhuǎn)發(fā)到基站，通過距離條件加快收斂，距離條件為 di＜β1d0，其中，d0為待轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與基站的距離，β1為距離衰減因子，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)收斂的速度。

對于符合距離條件的M個簇頭，將它們與基站的距離值從大到小排序，分別計分1、2、…、M ；剩余能量值從小到大排序，分別計分1、2、…、M，定義距離的權(quán)重為w1，能量的權(quán)重為w2。若節(jié)點(diǎn)n的距離計分為Sn，能量計分為 En，則其總得分為Un=Sn×w1+En×w2(i= 1，2，…，M)，總得分最高的候選簇頭當(dāng)選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

若圓環(huán)中不含簇頭或不含滿足距離條件的簇頭時，選擇圓環(huán)中的普通節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。為了減少計算開銷，加快擺脫圓環(huán)無合適簇頭的狀況，，使當(dāng)選節(jié)點(diǎn)盡量靠近基站，距離條件di＜β2d0中距離衰減因子取得較小些，β2＜β1。在滿足距離條件的普通節(jié)點(diǎn)中選取能量最高的作為最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 環(huán)境模型本文采用NS2平臺進(jìn)行仿真，仿真環(huán)境為：節(jié)點(diǎn)總數(shù)為100，隨機(jī)分布于100 m×100 m的區(qū)域，基站位置為（0，0）（單位：m），節(jié)點(diǎn)初始能量均為2 J，最佳簇頭百分比為5%，仿真時間為600 s。能量模型與LEACH相同，Eelec=50 nJ/bit，εfs=10 pJ/bit·m2，εmp=0.001 3 pJ/bit·m4，d0=87 m。

4.2 對比協(xié)議選擇

在對改進(jìn)前后的LEACH協(xié)議仿真的同時，添加了EEUC協(xié)議（Energy-Efficient Uneven Clustering，能量高效的非均勻分簇協(xié)議）作對比。EEUC在保留LEACH分簇思想的基礎(chǔ)上，簇頭選取過程中充分考慮到節(jié)點(diǎn)自身的能量，同時采用多跳方式解決離基站遠(yuǎn)的簇頭過早死亡的問題，是對LEACH協(xié)議很大的改進(jìn)[18-19]。在仿真平臺下對三種協(xié)議進(jìn)行仿真實驗并對比分析。

4.3 結(jié)果與分析

圖3是分別采用三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)數(shù)n與時間t關(guān)系的仿真結(jié)果，圖4是網(wǎng)絡(luò)總能耗e與時間關(guān)系t的仿真結(jié)果，圖5是數(shù)據(jù)包發(fā)送總字節(jié)數(shù) p與時間關(guān)系t的仿真結(jié)果。

由圖3可知，LEACH網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點(diǎn)的時間為400 s左右，EEUC和AD-LEACH網(wǎng)絡(luò)分別為420 s和430 s左右；LEACH、EEUC和AD-LEACH網(wǎng)絡(luò)中最后一個節(jié)點(diǎn)死亡時間分別為530 s、560 s和590 s左右。從FND的角度，AD-LEACH的性能比LEACH提升了7.5%，比EEUC提升了2.38%；從LND的角度，ADLEACH比LEACH和EEUC分別延長了11.32%和5.36%。

圖3 網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目與時間關(guān)系

圖4 網(wǎng)絡(luò)總能耗與時間關(guān)系

圖5 數(shù)據(jù)包發(fā)送總數(shù)與時間關(guān)系

圖4中，AD-LEACH的能耗曲線比LEACH和EEUC更為平滑，反映能耗速率比較穩(wěn)定。對比圖3和圖4，第400～530 s時間段，AD-LEACH網(wǎng)絡(luò)的總能耗與另外兩種網(wǎng)絡(luò)的差異并不大，但是AD-LEACH網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目明顯高于LEACH網(wǎng)絡(luò)和EEUC網(wǎng)絡(luò)，反映了AD-LEACH的節(jié)點(diǎn)能耗更加均勻，有效解決了LEACH中部分節(jié)點(diǎn)過早死亡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降的問題。

圖5反映AD-LEACH網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也有了較大提高，比LEACH網(wǎng)絡(luò)提高了約62.5%，比EEUC網(wǎng)絡(luò)提高了約22.17%。

通過與LEACH、EEUC網(wǎng)絡(luò)性能的對比，體現(xiàn)了AD-LEACH協(xié)議在降低和均衡節(jié)點(diǎn)能耗、延長網(wǎng)絡(luò)壽命方面取得了較好的改進(jìn)效果。

5 結(jié)束語

AD-LEACH協(xié)議目的在于降低和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，實現(xiàn)能耗最優(yōu)，為此針對LEACH工作機(jī)制的不足做出了改進(jìn)，包括：（1）分析了節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)并進(jìn)行分類，從造成簇頭選取不合理的客觀原因出發(fā)，有針對性地進(jìn)行閾值的修正。（2）通過節(jié)點(diǎn)位置信息，采用匹配方式將網(wǎng)絡(luò)分為相同大小的網(wǎng)格。（3）在最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離附近的圓環(huán)區(qū)域?qū)ふ肄D(zhuǎn)發(fā)的中間節(jié)點(diǎn)，兼顧了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和轉(zhuǎn)發(fā)效率。

仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的協(xié)議有效延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，均衡了節(jié)點(diǎn)能耗，改進(jìn)效果較為明顯，但是對基站所處位置對網(wǎng)絡(luò)性能的影響以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷分析尚未探究，將作為下一步工作的重點(diǎn)。

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ZHOU Meng,CHEN Yuedong,CHEN Mengyuan

Anhui Key Laboratory of Electric Drive and Control,Anhui Polytechnic University,Wuhu,Anhui 241000,China

To overcome the shortage of electing of cluster head and data transmission method in LEACH protocol, AD-LEACH protocol is proposed after improving.Based on different categories of nodes,the probability of being cluster head is modified to balance the influence of energy consumption,distance and node density.WSN is divided into several grids sharing the same size through fuzzy matching node positions.During the course of data transmission,the relaying node is selected with optimum distance and the minimum energy and consumption.The simulation results show that AD-LEACH protocol balances the energy consumption of WSN effectively and achieves the purpose of the optimal energy consumption.

wireless sensor networks;Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy（LEACH）protocol;electing of cluster head;fuzzy matching;grids;relaying node;optimal energy consumption

針對LEACH協(xié)議在簇頭選取、數(shù)據(jù)通信方面的不足，提出改進(jìn)后的AD-LEACH協(xié)議。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分類，修正簇頭當(dāng)選概率，使簇頭選取均衡了能耗、距離、節(jié)點(diǎn)密度的影響。通過節(jié)點(diǎn)位置模糊匹配的方法將全網(wǎng)劃分為若干個均勻大小的網(wǎng)格。數(shù)據(jù)傳輸階段以能量利用率最高為目的，基于最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，AD-LEACH協(xié)議有效降低和均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，達(dá)到了能耗最優(yōu)的目的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗自適應(yīng)集簇分層型（LEACH）協(xié)議；簇頭選?。荒：ヅ?；網(wǎng)格；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；能耗最優(yōu)

A

TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1403-0134

ZHOU Meng,CHEN Yuedong,CHEN Mengyuan.Improvement of LEACH route protocol based on optimal energy consumption.Computer Engineering and Applications,2014,50（23）：82-86.

安徽省自然科學(xué)基金（No.11040606M153）；安徽高校省級自然科學(xué)研究項目（No.KJ2013A041）。

周萌（1990—），男，碩士在讀，研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；陳躍東（1956—），通訊作者，男，教授，碩導(dǎo)，研究領(lǐng)域為運(yùn)動控制系統(tǒng)與檢測技術(shù)；陳孟元（1984—），男，講師，研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。E-mail：76920395@qq.com

2014-03-12

2014-04-29

1002-8331（2014）23-0082-05

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2014-07-11,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1403-0134.html