无线传感器网络LEACH算法浅析

黄 静

（泉州经贸职业技术学院慈山分院，福建 泉州 360003）

无线传感器网络LEACH算法浅析

黄 静

（泉州经贸职业技术学院慈山分院，福建 泉州 360003）

LEACH算法就是针对于无线传感器网络而提出的一种经典的层次型拓扑组织算法。对LEACH算法进行详细的描述，阐述了该算法的不足，然后重点就现有的LEACH改进算法进行分析和比较，总结各自的优缺点，最后给出该算法研究发展方向。

无线传感器网络；LEACH；LEACH-C；HEED；PEGASIS

引言

无线传感器网络是一种全新的信息获取技术，是新兴的下一代无线网络，具有广泛的应用前景。传感器节点主要由电池供电，且大都分布在无人看管、几乎不可能更换电池的环境中，如何能提高能量的有效利用率并延长网路寿命是一个重要的问题。对网络通信及拓扑控制方面的研究现在正成为无线传感器网络研究中的热点。LEACH（低功耗自适应分簇）算法就是针对无线传感器网络而提出的一种层次型拓扑组织算法。本文首先对经典的LEACH算法进行深入研究，并结合前人工作已提出的一些较为重要的改进算法进行对比和剖析。最后探讨了今后研究的方向，指出了下一步研究中的重点。

1 .LEACH算法

LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种自适应分簇拓扑算法，它的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点随机产生簇头，动态地形成簇；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。LEACH算法中簇头的选择是依据网络中所需要的簇头节点总数和迄今为止每个节点已成为簇头的次数来决定的。具体的选择办法是：每个传感器节点选择0-1之间的一个值，如果选定的值小于某个阈值，那么这个节点成为簇头节点。节点当选簇头以后，广播告知其他节点自己是新簇头。非簇头节点根据自己与簇头之间的距离来选择加入哪个簇，并告知该簇头。当簇头接收到所有的加入信息后，就产生一个TDMA定时消息，并且通知该簇中所有节点。为了避免附近簇的信号干扰，簇头可以决定本簇中所有节点所用的CDMA编码。这个用于当前阶段的CDMA编码连同TDMA定时一起发送。当簇内节点收到这个消息后，它们就会在各自的时间槽内发送数据。经过一段时间的数据传输，簇头节点将运行数据融合算法来处理收到的数据，并将结果直接发送给汇聚节点。

2 .存在不足

LEACH算法还没有考虑节点的能量状态，如果某一节点的剩余能量很小，仍有同样几率被当选为簇头；在LEACH算法中，簇头的产生具有随机性，簇头分布不均匀，有可能会出现部分地区簇头密度大，部分地区簇头稀少的现象；LEACH 算法选举簇头的机制也具有随机性，没有控制每轮簇头的数量；LEACH算法还是经典的一跳算法，即簇内成员向簇头发送信息是一跳将数据发送给簇头。它要求节点具备较大的通信能力，以满足节点间能进行直接通信。这也使得部分网络节点的能量消耗过快，不利于网络能量的充分利用。

3 .现有改进

HEED算法主要是针对LEACH算法生成簇的簇首分布不均匀这个问题进行了改进。该算法构建了一种节能、分布式的成簇策略，但在选择簇头时需要在一定的迭代次数内与周围邻居节点不断地紧系信息交互，因此该算法的实现也需要额外的通信代价。同时，针对节点一跳发送数据造成的能量过快消耗问题，在LEACH算法的基础上，Lindsey等人提出了PEGASIS算法，其思想是进一步减少直接与基站通信的节点。PEGASIS将网络中的所有节点连成一条链，数据在链上进行融合处理，最后传输至基站。但是，该算法需要知道每个节点的位置信息，开销非常大。文提出通过构造生成树，使得簇内生成树中的节点基本都是选择距离自身最近的簇成员节点为自己的父节点，簇首生成树中的簇首节点基本都是选择距离自身最近的簇首为父节点。所以，在数据收集中，各个节点都基本上与距离自身最近的节点通信，而且没有增加LEACH的时延（不像PEGASIS）。但是它也有其局限性。由于传感器节点的处理能力有限，对于需要大量原始数据上传、聚合过程复杂或聚合后数据尺寸急剧膨胀的应用场景，文中算法就不太适用。因此，该算法只适用于中小型无线传感器网络。

4 .小结

目前，对于LEACH算法的改进大都只是从个别的几个因素来考虑，很少关注全局的网络特征。还不存在一个能适用于所有网络场景的十全十美的算法，每种算法都存在某些方面的劣势。而且改进的策略有相当部分在仿真实验中可以取得较好的效果，在实际网络中往往会有些偏差，还是有待进一步的验证。

[1] 熊昊翔，李峰，李平. 基于节能的无线传感器网络 LEACH协议改进[J]. 计算机技术与发展，2007，（11）.

[2] 陈建明，王青海，路建军. 自适应分簇拓扑算法EC-LEACH的研究[J]. 测试技术学报，2008，（6）.

TP212

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1008-7427（2010）01-0160-01

2009-11-18