劉靜 李暉

【摘要】 在無線傳感器網絡（WSN）協議研究中，降低節(jié)點的能量消耗、延長網絡的生命周期是路由協議設計的關鍵問題。針對LEACH協議的設計特點和影響因素，提出了一種改進 LEACH協議。它首先考慮節(jié)點自身剩余能量進行選舉簇頭，然后從每個簇中選舉出能量剩余最多，位置離基站最近的節(jié)點作為候補簇頭，在簇頭能量不足5%時，擔當數據包轉發(fā)給基站的任務。仿真實驗結果表明，改進后的算法比原來的協議網絡生存時間延長了近70%。

【關鍵詞】 路由協議 簇頭閾值 候補簇頭

引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）由成千上萬個傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點進行持續(xù)采集監(jiān)測環(huán)境中的數據，并可以實現數據融合、傳輸、交換等功能[1]。傳感器節(jié)點體積小、功耗低，但是數據傳輸的準確性受帶寬、傳輸延時、能量等因素影響，因此在進行無線傳感器網絡路由設計過程中，關鍵技術是要考慮降低節(jié)點的能量消耗，延長網絡的生命周期。

一、LEACH 協議算法

在目前的路由協議中，LEACH[2]（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchical ）協議是由MIT的Heinzelman 提出的一種經典的分層路由協議，其將無線傳感器網絡分為幾個大小均勻的簇，簇內由簇頭節(jié)點和普通節(jié)點組成，普通節(jié)點將數據發(fā)給簇頭，簇頭將數據融合后轉發(fā)給Sink，而不是節(jié)點直接將數據傳遞給Sink，這樣就提高了能量利用效率。因為簇頭能量消耗較大，而節(jié)點輪流成為簇頭節(jié)點，這就使得能量消耗能夠均衡地分攤到很多節(jié)點。

1.1 簇的組成

LEACH運行過程中可以用輪的概念來描述。每個輪可以分成兩個階段： 簇的建立和數據傳輸。在簇的建立階段，傳感器節(jié)點根據概率模型選舉出簇頭。每個節(jié)點產生一個0到1 之間的隨機數[2]。假如這個隨機數小于閾值T （n ），該節(jié)點被選舉為簇頭。閾值的計算公式如下：

式中，r 是輪數，p 是簇頭數量比例，G 是在前r mod（1 / p） 輪沒有當選簇頭的節(jié)點集合。節(jié)點被選為簇頭后，就向外廣播自己成為簇頭節(jié)點的消息，成員節(jié)點根據收到的廣播信息信號的強弱選擇加入到相應的簇，并向簇頭發(fā)送加入簇的請求，如下圖1。簇頭收到請求后，將成員節(jié)點的信息加入自己的路由表中，并為每個節(jié)點設定一個TDMA分配時間表[3]。

1.2 穩(wěn)定數據通信

簇建立好后，節(jié)點根據TDMA機制分配的時間間隙進行數據通信[3]。節(jié)點在自己的TDMA 時間間隙時，將采集到的數據發(fā)送給簇頭節(jié)點。簇頭接收數據后進行融合處理發(fā)送給sink。數據穩(wěn)定通信一段時間后，重新開始組簇，進入到下一輪工作，一直循環(huán)，直到網絡中的節(jié)點能量完全消耗掉。

二、LEACH的局限性

盡管LEACH能夠實現節(jié)點節(jié)能和延長網絡生命周期，但它還是有如下的問題：

I 選擇簇頭時沒有考慮節(jié)點剩余能量。LEACH 協議選舉簇頭時的隨機性可能使剩余能量低的節(jié)點成為簇頭，盲簇節(jié)點的出現導致網絡過早死亡[4]， 網絡的負載平衡程度下降。

II 網絡規(guī)模很大的時候，簇頭節(jié)點給基站傳輸數據會很快的消耗大量能量，LEACH協議比較適合部署區(qū)域較小的網絡[5]。

三、LEACH 協議的改進

3.1 簇頭選擇改進

在簇頭選擇階段，節(jié)點的剩余能量是動態(tài)變化的，所以傳感器節(jié)點定時向sink發(fā)送自己的能量剩余情況， 若節(jié)點剩余能量低于平均能量， 則降低其成為簇頭的概率。因此將閾值改進成了下式

N 為節(jié)點總數，M 為節(jié)點分布區(qū)邊長，dtoBS為節(jié)點到sink 的距離。然后基于節(jié)點剩余能量和距離基站位置，每個簇中選舉出一個候補簇頭。

3.2 對協議流程改進

在LEACH協議中，簇頭負責把收集數據包并傳輸給基站，這就相應的增加了節(jié)點能量的消耗，特別是在大型網絡中更為嚴重。為了解決這一問題，提出一種改進路由算法。在簇頭能量將要耗盡的時候，候補簇頭來擔當轉發(fā)數據包給基站的任務。

改進的LEACH協議工作分為3個階段：

I選擇簇頭和候補簇頭II簇頭建立III數據傳輸。

I選擇簇頭和候補簇頭階段。簇頭按照LEACH協議的方式選舉，剩余能量最多和離基站最近的非簇頭節(jié)點被選為候補簇頭。

II簇頭建立階段。選舉出簇頭之后，每個簇頭向成員節(jié)點廣播通知信息，成員節(jié)點根據自己所收到信息的信號強度來選擇加入哪個簇，然后成員節(jié)點用自己的ID傳輸一條確認信息給它想加入的簇頭，簇頭把加入自己簇的成員節(jié)點信息記錄下來。

候補簇頭建立方式與此非常相似。在簇頭剩余能量不足5%時，候補簇頭向成員節(jié)點發(fā)送接收數據包的消息，簇頭將成員節(jié)點的信息發(fā)送給候補簇頭，進行任務交接。候補簇頭同樣采用CDMA機制分配成員數據傳輸時隙，并將信息發(fā)給成員節(jié)點。

III數據穩(wěn)定傳輸階段。每個節(jié)點按照設定的TDMA 時隙把收集到的信息發(fā)送給簇頭，簇頭將數據進行融合后轉發(fā)sink。當簇頭節(jié)點能量不足5%時，候補簇頭擔任轉達數據包的責任，這樣能提高能量利用效率。

四、仿真結果及分析

本文在MATLAB 的環(huán)境中對改進路由協議進行了仿真。網絡模型如下：

100 個初始能量為0.5J 的傳感器節(jié)點隨機的分布在100×100 m 的正方形區(qū)域內。假定它們按照定時發(fā)送的機制發(fā)送收集的數據并且不會自己移動。基站在（x=50，y=50）的位置。當節(jié)點的剩余能量為0J 時，則認為其死亡。

考慮到簇頭既要融合簇內數據又要轉發(fā)數據包，從而導致能量消耗太快，利用候補簇頭分擔簇頭的任務，使網絡中的節(jié)點能耗均衡，以此達到提高每輪簇穩(wěn)定數據通信時間，進而延長網絡的生存時間。使用matlab對改進后的LEACH協議進行仿真，結果表明改進的LEACH 延長了網絡生存時間近70%。

參 考 文 獻

[1] 鄧亞平，鄧利軍.無線傳感器網絡的能量有效加權分簇算法[J].計算機工程與設計，2011（4） ： 1216-1219.

[2] Heinzelman W B，et al.An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Trans on wireless Commumications，2002，1（4）：660-670.

[3] BAI F，WANG L，MA Y，et al.Algorithm analysis of routing protocols-LEACH for wireless sensor networks [J].Journal of Taiyuan University of Technology，2009，40（ 4） ： 248 - 252.

[4] 胡鋼，謝冬梅，吳元忠.無線傳感器網絡路由協議LEACH 的研究與改進[J].傳感技術學報， 2007， 20（6）： 1391-1396.

[5]Mahmoud M.salim，Hussein A.Elsayed，Salwa H.El Ramly . PR-LEACH：Approach for Balanceing Energy Dissipation of LEACH Protocol for Wireless Sensor Networks.31st National Radio Science Conference（NRSC2014）.