張雅瓊+張慧

作者簡介：張雅瓊（1983—），女，陜西榆林人，講師，碩士研究生。研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術、計算機網(wǎng)絡。

張慧（1984—），女，陜西榆林人，講師，碩士研究生。研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術、射頻識別技

摘要： 經(jīng)典的分簇路由協(xié)議LEACH在無線傳感器網(wǎng)絡中有著非常廣泛的應用，針對LEACH協(xié)議在成簇時沒有考慮簇頭節(jié)點的能量等因素的缺陷，為延長網(wǎng)絡生存期在LEACH協(xié)議基礎之上，在簇頭選擇公式中加入節(jié)點剩余能量的參數(shù)，使得選舉能量較高的節(jié)點為簇頭，提出改進的LEACH協(xié)議。并在網(wǎng)絡模擬軟件NS2平臺下，對改進的LEACH協(xié)議與原LEACH協(xié)議進行仿真比較分析，結果表明改進后的協(xié)議中各個節(jié)點能耗均衡，避免個別節(jié)點過早衰亡，可以延長網(wǎng)絡生存期。

關鍵詞： LEACH； 分簇； 節(jié)點能耗； 無線傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號： TN911?34； TP393文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）08?0029?03

Research on clustering routing protocol for wireless sensor network

ZHANG Ya?qiong， ZHANG Hui

（College of Information Engineering， Yulin University， Yulin 719000， China）

Abstract： The classical clustering routing ptotocol LEACH is widely used in wireless sensor networks， but the energy of cluster head node is not considered in the clustering process of LEACH protocol. In order to prolong the life cycle of the network， the parameter of node residual energy is added into the cluster head selection formula on the basis of LEACH protocol， so that the nodes which have more energy can be chosen as cluster heads. The improved LEACH protocol is proposed. On experimental simulation platform of the NS2， the improved LEACH protocol and the original LEACH protocol were simulated and compared. The results indicate that the energy consumption of each node in the improved LEACH protocol is balanced， which can avoid premature dead of individual node and extend the network life cycle.

Keywords： LEACH； clustering； node energy consumption； WSN

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是物聯(lián)網(wǎng)的感知層，由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點組成，通過無線多跳通信方式形成的一個Ad?Hoc網(wǎng)絡，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋范圍中感知的對象信息[1]。WSN中傳感器節(jié)點監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)如何沿著其他節(jié)點傳輸，如何到達匯聚節(jié)點都是路由協(xié)議需要解決的問題。無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點體積小、能量有限使得在設計路由協(xié)議時必須遵循能量優(yōu)先的原則，盡量節(jié)能以延長節(jié)點的使用壽命。與無線傳感器網(wǎng)絡相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由協(xié)議設計更加關注的是提供較高的服務質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡帶寬[2]。

1LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議是WSN中經(jīng)典的分簇層次型路由協(xié)議，是一種低功耗、自適應層次路由算法。其與傳統(tǒng)協(xié)議相比LEACH能較好的降低能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存時間[3]。

LEACH協(xié)議中節(jié)點自組織成簇，簇中某個節(jié)點擔任簇頭。不同簇之間使用CDMA機制互不干擾，所有簇內(nèi)成員使用TDMA機制在分配給自己的時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭，簇頭接收所有簇成員發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對各成員的數(shù)據(jù)進行融合，之后各個簇頭根據(jù)CSMA機制將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠方的匯聚節(jié)點[4]。所以簇頭工作量大，故比簇成員能耗大。

LEACH協(xié)議是分輪（round）運行的，每輪分為簇的建立和數(shù)據(jù)傳輸兩個階段。簇的建立階段主要是選舉簇頭并形成各個簇，數(shù)據(jù)傳輸階段是進行數(shù)據(jù)傳輸，包括簇成員發(fā)送數(shù)據(jù)到簇頭以及簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點。為了使能量消耗小，通常建立階段較短，傳輸數(shù)據(jù)階段持續(xù)時間要比建立階段的時間長。

成簇過程為：傳感器網(wǎng)絡中所有節(jié)點產(chǎn)生一個隨機數(shù)，隨機數(shù)的范圍在0~1之間，如果這個數(shù)小于節(jié)點預設的閾值T（n），則該節(jié)點成為簇頭節(jié)點，同時該節(jié)點廣播自己成為簇頭的信息[5]。閾值T（n）的表達式如式（1）所示：

[T(n)=p1-p(rmod1p), if?n∈G?0,???other?] （1）

式中：P是期望的簇頭占所有節(jié)點的百分比，即每個節(jié)點成為簇頭的概率，取值范圍在4%~5%之間，不同應用場合略有不同；r是當前運行的輪數(shù)；G是一個集合，包括在最近[1p]輪中還未當選過簇頭的節(jié)點。

LEACH協(xié)議存在很多優(yōu)點的同時，也存在一些缺點，如LEACH協(xié)議選擇簇頭時并不考慮節(jié)點的剩余能量，這樣可能導致能量較少的節(jié)點擔任簇頭，是的能量快速耗盡，加速節(jié)點的死亡[6]，縮短網(wǎng)絡生存期。而且簇頭產(chǎn)生時并未考慮簇頭的位置，因此簇頭的分布不一定是合理的，可能導致有的區(qū)域簇頭偏多有的區(qū)域簇頭過少，簇內(nèi)成員的傳輸距離延長導致能耗變大。

2能量模型

NS2（Network Simulation）網(wǎng)絡模擬軟件中已定義好了無線通信系統(tǒng)中的能耗模型，其模型如圖1所示。