基于剩余能量的LEACH算法优化的研究

　　摘要：针对LEACH算法中存在的节点能耗分布不均衡问题，提出一种新的成簇路由方案。在参考 LEACH 路由算法的基础上，引入剩余能量，建立新的簇头选举机制。仿真试验结果表明，该算法在网络生存时间和负载均衡方面较已有算法有较大的提高。
　　关键词：无线传感器网络；剩余能量；负载均衡
　　中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)26-6370-02
　　无线传感器网络是由部署在监测区域内能进行无线通讯交流的大量无线传感器节点组成的一个自组织网络。由于可自组织网路、环境适应能力强等特点无线传感器网络在军事、交通、矿业、农业领域具有广阔的应用前景。但构成无线传感器网络的传感器节点通常能量有限，因此为了最大限度地延长网络生存时间，设计一种能量有效的路由协议来适应无线传感器网络的特点，以降低节点能耗和提高网络生命期为目标的网络协议已经成为无线传感器网络研究的热点之一。
　　1 研究基础和相关工作
　　路由协议是无线传感器网络的重要技术之一，它的作用是将数据由源节点传送到目的节点，因此路由协议的性能和整个网络的性能密切相关。目前，路由协议可以分为平面路由协议和分层路由协议。
　　在平面路由协议中，节点间地位是平等，是通过局部操作和反馈信息来生成路由的。典型的平面路由协议有: SPIN[1]、Directed Diffusion、Rumor、SAR等。分层路由协议中通常将网路节点划分为若干簇，由簇头负责管理簇内节点。典型的分簇路由协议有: LEACH[2]、TEEN[3]、PEGASIS、CEFL、DAEA等。
　　1.1 LEACH算法简介
　　低功耗自适应分簇算法LEACH首次提出分簇的思想，也是分层路由协议中最重要和最具代表性的算法。在LEACH算法中，节点自组织成不同的簇，每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所属簇的簇头节点，簇头节点在数据融合后将数据发送给基站。其基本思想是在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程由“轮”的概念来描述，每一轮由两个阶段组成：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。
　　在簇的建立阶段，每个传感器节点先生成0-1之间的随机数，如果生成的随机数小于阀值T(n)，那么这个节点就被选为簇头，阈值的大小由下式确定：
　　（1）
　　T(n) 表示为：式中，P 是簇头在所有节点中所占的百分比，r是选举轮数，G是这一轮循环中未当选簇头的节点集合 。
　　如果这个数小于簇头当选阈值 T(n)，那么则该节点就当选为本轮循环的簇头；反之则为簇内普通节点。节点当选为簇头以后，发布广播消息告知其他节点自己是新簇头；非簇头节点根据收到的广播消息的信号强弱决定要加入的簇，并向簇头发送加入簇的请求。簇的建立完成后，开始进入传输数据的稳定阶段。
　　1.2 LEACH算法分析
　　尽管LEACH能够提高网络的生存时间，但是协议所使用的假设条件仍存一些问题：
　　1）在LEACH算法中的假设条件是所有节点都可与汇聚节点sink直接通信，若节点与sink节点距离较远的情况下能量消耗增大，不适合在大规模的无线传感器网络中应用[4]。
　　2）簇头的形成是随机的，此时在节点之间传送数据时，可能加大能量的消耗[5]。
　　3）簇头选定之后，要向网络覆盖的所有区域发送广播信息，增加了节点间的通信量。这个过程要消耗相当多的能量。
　　4）每开始新的一轮工作，都要重新选举聚