摘 要：本文基于典型的無線傳感器網(wǎng)絡路由算法LEACH，針對其在簇頭選舉和數(shù)據(jù)傳輸方式兩個方面存在的關鍵性缺陷提出改進措施。分析與仿真結果表明，改進后的路由算法不僅能夠保證簇頭的選舉更加合理，同時也有效的提高網(wǎng)絡能耗的均衡性，延長了網(wǎng)絡生存時間30%。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；路由算法；LEACH；能耗均衡

中圖分類號：TP212

1 無線傳感器網(wǎng)絡LEACH路由協(xié)議

1.1 LEACH協(xié)議的算法描述

LEACH全稱為Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy（低能量自適應成簇分層路由協(xié)議），該算法每一輪執(zhí)行都分為“簇的建立”和“穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信”兩個階段。雖然簇的建立過程比較耗能，但是，穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信階段所持續(xù)的時間要比簇的建立階段長很多[1]。

在LEACH協(xié)議中，簇頭與Sink節(jié)點之間采用單跳的方式直接進行通信，Sink節(jié)點通常與檢測區(qū)域的距離較遠。

1.2 LEACH算法的存在的缺點

LEACH算法在執(zhí)行過程中通過循環(huán)選舉簇頭的方式將網(wǎng)絡能耗分配到網(wǎng)絡中各個節(jié)點，在一定程度上提高了網(wǎng)絡的能耗均衡性[2]。在數(shù)據(jù)傳輸過程中LEACH算法還采取了數(shù)據(jù)融合機制，有效較低了網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)量[3]，但是，也存在以下關鍵性缺點：（1）簇頭節(jié)點隨機選取；（2）簇頭節(jié)點的個數(shù)也就不能與動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲相適應；（3）容易因簇頭節(jié)點失效導致網(wǎng)絡中出現(xiàn)盲區(qū)；（4）網(wǎng)絡的可擴展性隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大會越來越低。

2 LEACH算法具體改進方案

2.1 節(jié)點選舉簇頭的權利

在選舉簇頭開始階段，Sink節(jié)點向各節(jié)點發(fā)送命令，要求各節(jié)點以統(tǒng)一的信號強度P向周圍廣播測試信息并通過當前簇頭返回各節(jié)點所能接收的、信號強度在一定[Pmin，Pmax]的鄰居節(jié)點數(shù)量以及各節(jié)點的剩余能量值（Cneighbor-node，Pavailable）。

根據(jù)各個節(jié)點所返回參數(shù)中的鄰居節(jié)點數(shù)Cneighbor-node，設置最少鄰居節(jié)點數(shù)Cmin（根據(jù)具體情況而定）。Sink節(jié)點通過各節(jié)點返回的剩余能量值，就能計算出節(jié)點的平均剩余能量Paverage：

設置參數(shù)（參考值為0.8），利用下面的判定原則：

ifPavailable≥λPaveragethenBavailable=ture

elsePavailable<λPaveragethenBavailable=1

只有當節(jié)點的剩余能量不少于λPaverage時，節(jié)點才具備當選為簇頭的權利。

節(jié)點通過以上三種方式的判定，不僅能將剩余能量較少、處于網(wǎng)絡邊緣的節(jié)點不考慮在簇頭選舉的范圍內，還能夠通過控制節(jié)點個數(shù)使得簇頭的選舉更加科學合理。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

LEACH路由算法中，簇頭節(jié)點直接與Sink節(jié)點進行通信，當簇頭與Sink節(jié)點間的距離較近時，采用自由空間信道模型，所消耗的能量較少。當簇頭與Sink節(jié)點相距較遠時，采用多路徑衰減信道模型，然而，單跳機制直接限制了LEACH算法的實際應用。為了解決這一問題，本文結合PEGASIS路由算法的多跳機制，基于Dijkstra算法的思想，設計一種多路徑傳輸方式。簇頭選舉和路由建立這兩個關鍵性步驟完成之后，整個網(wǎng)絡就會進入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。

3 仿真及性能分析

圖1 LEACH與改進協(xié)議在死亡節(jié)點與輪數(shù)上的對比

如圖1仿真顯示，改進型算法相比于LEACH算法，網(wǎng)絡生存周期提高約30%。無線傳感器網(wǎng)絡的整體能耗能夠直接反映出路由算法的能耗均衡性。在改進型算法中，網(wǎng)絡整體能耗比LEACH路由算法更低，并且各個節(jié)點的能耗也更加均衡。

4 結束語

本文通過綜合考慮各個節(jié)點的剩余能量、鄰居節(jié)點個數(shù)、確定最佳簇頭節(jié)點的個數(shù)，以降低剩余能量少、處于網(wǎng)絡邊緣位置的節(jié)點當選為簇頭節(jié)點的概率，同時還能防止網(wǎng)絡中出現(xiàn)簇頭節(jié)點過多或過少情況的出現(xiàn)。通過軟件仿真和性能分析顯示，改進后的協(xié)議能夠有效保證簇頭的均勻分布、提高網(wǎng)絡能耗均衡性，并提高網(wǎng)絡生存時間約30%。

參考文獻：

[1]Wendi B Heinzelman，Anantha P Chandrakasan，Hari Balakrishnan.An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2002（04）：660-670.

[2]Cheng Z，Perillo M，Tavli B，Heinzelman W，Tilak S，Abu-Ghazaleh N.Protocols for local data delivery in Wireless Micro-sensor Networks.The 2002 45th Midwest Symposium on Circuits and System，2002（01）：I-623-6.

[3]Lindsey S，Raghavendra C，Sivalingam K M.Data gathering algorithms in sensor networks using energy metrics[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2002（09）：924-935.

作者簡介：陳良文（1987-），男，計算機科學與工程學院碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術、無線傳感器網(wǎng)絡技術；李敬兆（1964-），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：礦山物聯(lián)網(wǎng)、計算機監(jiān)控技術。

作者單位：安徽理工大學 計算機科學與工程學院，安徽淮南 232001

基金項目：本課題得到國家自然科學基金（項目編號：61170060）；安徽省自然科學基金（項目編號：11040606M135）；安徽省高等學校自然科學基金資助（項目編號：KJ2011A083）。