孫鵬飛

(西安郵電大學(xué)，陜西 西安 710061)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSNs）是由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)以多跳自組織的方式形成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其在許多領(lǐng)域內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。但傳感器節(jié)點(diǎn)有其自身的局限性，比如計(jì)算能力弱、電池能量少等。如何減少節(jié)點(diǎn)使用能量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期是WSNs路由協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)。

路由協(xié)議是WSNs一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，完成的是數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。低功耗自適應(yīng)聚類（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH）是一種基于分簇的能量有效路由協(xié)議。其思想是網(wǎng)絡(luò)周期性隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)以就近原則加入相應(yīng)的簇頭，形成虛擬簇。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將感知到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn)將本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)融合后以一跳的方式傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)。分層路由的優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展性好，能夠應(yīng)用于大規(guī)模WSNs中。但是該算法中簇頭節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)選取的，針對(duì)該算法的不足,本文提出了改進(jìn)的LEACH路由算法(LEACH-EC)。LEACH-EC算法在選取簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)的分布位置，選擇剩余能量多、且周圍傳感器節(jié)點(diǎn)分布密集的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，盡可能選取較優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，達(dá)到延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

1 LEACH算法

1.1 LEACH算法描述

LEACH分為兩個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段和穩(wěn)定階段。在啟動(dòng)階段，隨機(jī)選擇產(chǎn)生簇頭節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)選擇[0，1]之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于給定閾值T（n），則該節(jié)點(diǎn)在本輪中被選取為簇頭節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)以就近原則加入相應(yīng)的簇頭，形成虛擬簇。

穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)通信，簇頭將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合后直接發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榇貎?nèi)節(jié)點(diǎn)離簇頭節(jié)點(diǎn)較近，且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，所以比簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)能量消耗要少很多，同時(shí)減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量。但簇頭節(jié)點(diǎn)由于消耗了過(guò)多能量，易導(dǎo)致過(guò)早死亡，為了避免這種局面，需要定期更換簇頭節(jié)點(diǎn)。

1.2 LEACH路由協(xié)議存在的問(wèn)題

LEACH協(xié)議具有很多優(yōu)點(diǎn)，但LEACH仍有不足之處：

（1）LEACH協(xié)議在啟動(dòng)階段選取簇頭時(shí)并未考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量[3]，剩余能量少的節(jié)點(diǎn)應(yīng)少活動(dòng)，多休眠，剩余能量多的節(jié)點(diǎn)應(yīng)多活動(dòng)，以較大的概率當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，這樣網(wǎng)絡(luò)能耗負(fù)載更加均衡，網(wǎng)絡(luò)壽命更長(zhǎng)。

（2）傳感器節(jié)點(diǎn)大面積隨機(jī)播撒而成，容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分布不均勻的現(xiàn)象，簇頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能選在節(jié)點(diǎn)分布較密、周圍鄰居較多的區(qū)域。

2 LEACH-EC路由協(xié)議

針對(duì)LEACH路由協(xié)議存在的上述缺點(diǎn)，本文在簇頭選取上進(jìn)行了改進(jìn)。以平衡網(wǎng)絡(luò)總能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了一種改進(jìn)的路由協(xié)議——基于LEACH的簇頭選取改進(jìn)協(xié)議（LEACH-EC）。改進(jìn)后的LEACH-EC協(xié)議與LEACH協(xié)議思想一樣，仍然使用輪的概念，每個(gè)輪回分為兩個(gè)階段：簇的建立和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段，穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段的持續(xù)時(shí)間要大于簇建立所需的時(shí)間。

LEACH協(xié)議中簇頭節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取，為了選出周圍節(jié)點(diǎn)分布較密，鄰居節(jié)點(diǎn)較多的簇頭節(jié)點(diǎn)。我們引入節(jié)點(diǎn)集中度的概念。假定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意一節(jié)點(diǎn)N的通信半徑為R，假設(shè)該節(jié)點(diǎn)有j個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，且這j個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)N的距離為di,則節(jié)點(diǎn)N的集中度為

為了確保網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡，在簇頭選取時(shí)不得不考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，節(jié)點(diǎn)剩余能量多的節(jié)點(diǎn)以較高的概率當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)。所以，將節(jié)點(diǎn)的剩余能量引入閥值T（n）的計(jì)算公式中，由此得到改進(jìn)后的T（n）的公式計(jì)算如下：

其中：Eresidual為節(jié)點(diǎn)的剩余能量，Einitial為節(jié)點(diǎn)的初始能量。0≦w1≦1,0≦w2≦1,且 w1+w2=1。

公式（1）中，di越小意味著與鄰居節(jié)點(diǎn)距離越近，j越大意味著該節(jié)點(diǎn)有著更多的鄰居節(jié)點(diǎn)，周圍傳感器節(jié)點(diǎn)分布較為密集。 di值越小，j越大，則該節(jié)點(diǎn)集中度C的值將會(huì)越大。由公式（2）得出，節(jié)點(diǎn)剩余能量多、集中度高的節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的T（n）也會(huì)較大，節(jié)點(diǎn)將以高概率選取為簇頭節(jié)點(diǎn)。隨著輪數(shù)的進(jìn)行，分布較密區(qū)域的節(jié)點(diǎn)的剩余能量逐漸降低，T（n）的值也會(huì)慢慢變小，而分布稀疏區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)由于前期未當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，剩余能量較多，T（n）的值將會(huì)慢慢變大，也會(huì)以高概率當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，T（n）的值由節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)的集中度共同影響。因此網(wǎng)絡(luò)能耗負(fù)載更加均衡，有效的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

3 仿真結(jié)果

3.1 仿真模型

為了評(píng)價(jià)LEACH-EC協(xié)議的性能，與LEACH協(xié)議做了性能比較，實(shí)驗(yàn)中以Visual C++6.0作為仿真平臺(tái)。節(jié)點(diǎn)初始能量0.5J，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為400個(gè)，Sink位置為(300.400)。

3.2 性能指標(biāo)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真中，根據(jù)不同的需求需要不同的指標(biāo)參數(shù)，改進(jìn)的協(xié)議是以平衡所有節(jié)點(diǎn)的總的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此，從以下3個(gè)指標(biāo)衡量改進(jìn)后協(xié)議的能量：（1）網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間：第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。（2）存活節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)：不同時(shí)刻存活節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，反映了網(wǎng)絡(luò)整體能量消耗的平衡程度。（3）節(jié)點(diǎn)總的剩余能量：不同時(shí)刻所有節(jié)點(diǎn)剩余能量的總和。

3.3 仿真結(jié)果分析

從圖1中可以看出，在第290輪以后，LEACH-EC協(xié)議中存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)目總是比LEACH協(xié)議中的多。從圖2中可以看出，在不同的輪數(shù)中，LEACH-EC協(xié)議中節(jié)點(diǎn)剩余能量的總和比LEACH協(xié)議中的高。因此，無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)的壽命還是所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量，LEACH-EC協(xié)議都優(yōu)于LEACH協(xié)議。

圖1 存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目的比較

圖2 節(jié)點(diǎn)總的剩余能量的比較

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，在軍事及公共安全，環(huán)境監(jiān)測(cè)和交通管理等領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景。本文針對(duì)LEACH路由協(xié)議的不足提出了一種改進(jìn)的路由協(xié)議LEACH-EC，在選取簇頭時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量和集中度，使簇頭的分布更加合理，從而達(dá)到減少成員節(jié)點(diǎn)與粗頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸能量消耗的目的，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

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