基于OMNET++的leach协议的仿真与改进

高 宏，刘开华，潘 勇

（天津大学 电子信息与工程学院，天津 300072）

近年来，无线传感器网络 （Wireless Sensor Networks，WSN）技术在各个行业领域都有着较快的发展。这一技术结合了现有的多种先进技术，为人们提供了一种全新的获取信息，处理信息的途径。例如：医疗监测，环境检测，工业控制等。

无线传感器网络[1]是一种由传感器节点构成的网络，它的特点是传感节点数目多，易失效，通信能力有限，电源能量有限。根据无线传感器网络的特点分析得出，降低能耗和延长网络生命周期是无限传感器网络的关键性能指标。在目前的研究中发现，采用分簇的路由算法是高效降低能耗，延长网络寿命的有效途径之一。文中对无线传感器网络分簇协议LEACH（低功耗自适应分簇协议）进行了深入的研究，本文针对LEACH协议中的簇头选择算法提出了改进。

1 LEACH协议

LEACH算法[2]是一种以循环的方式随及选择簇首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个节点上，从而降低能耗，延长网络的生存时间。LEACH协议定义了“轮”的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段，即簇头的选择阶段和传输数据阶段[3]。LEACH协议以循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的.在LEACH协议中，同普通成员节点相比，簇首节点的负载较大，能量消耗较快.为平衡网络各节点的能耗、避免簇首节点过早死亡，采用 TDMA时分复用方式（Time Division Multiple Access，TDMA）周期按轮（round）选举簇首的原则，每一轮的执行可以分为两个阶段，即簇的初始化阶段和稳定的数据通信阶段.簇的初始化阶段主要是选举簇头节点，其他节点决定加入哪个簇，然后建立 TDMA列表.为了减少频繁的重建簇造成的能量消耗，簇建立完成后，会进入稳定的数据通信阶段，需要通信的节点会继续提供收发数据的服务，不需要的节点就会进入休眠状态，以便节省能量.簇头选举的阈值公式为：

在簇的建立过程中，每个节点随机产生一个（0，1）之间的随机数，如果产生的随机数小于阈值T（n），该节点将成为簇头节点。其中r代表当前循环到第r轮，P代表预期簇头节点的个数与该轮总的节点数比值，T（n）代表当前的第n个节点的阈值，G是在最后的1/P轮中未成为簇头节点的节点集。

LEACH协议的优点有，它采用了随机选举簇首的方式避免了簇首过分消耗能量，采用数据融合则有效的减少了通信量，因此比一般的静态算法网络周期延长了。但是LEACH协议存在的问题有：1）当一个节点被选为簇首时，能负担的节点是有限的[4]，不能因为单纯的因为距离近就加入，这样有可能造成簇首节点的高能耗，从而导致网络提前死亡。2）由于每轮被分成初始化和稳定两个阶段，而初始化耗能较大，应尽量延长稳定传输数据的阶段。3）簇头选择的个数也应该是动态的，并且能量低于一定值时是不可以被选为簇首的[5]。

2 改进的LEACH协议

针对上述存在的问题，本文对簇头选择算法做出了改进。首先，以基站为圆心，以r为半径，在将节点网络划分成N个小网络。设网络的长和宽均为L。其中N=L/r。如图1所示。

图1 节点分布图Fig.1 Distribution of all notes

当区域划分完成后，基站会用广播的形式通知各个节点所处在哪个小网络中。我们可以利用正态分布函数来计算哪个区域的节点最适合当簇头。如式:

其中，Pi是代表在某一个区域内，该区域节点当选簇头的概率。概率越高被选成为簇头的几率就越大。

但由于要考虑到簇头能量低于一定值时是不可以选为簇头的，所以簇头的选择方法上加入了剩余能量和初始能量的比值[6]。由此得出阈值T（n）的方法改进：

上式中，Ec代表当前节点剩余能量，En代表当前节点的初始能量。

3 仿真分析

本文采用OMNET++做为仿真工具进行实验。对原始的LEACH和改进后的LEACH做了对比实验。实验中所采用的物理模型与上文中提及的LEACH物理模型相同。

本仿真实验采用的参数如表1所示。

表1 实验仿真参数Tab.1 Parameters of the simulation

在OMNET++下所模拟的网络模型如图2所示。

图2 节点第一次选完簇头并传输的过程Fig.2 Process of the notes transmission

本实验中节点数目为100个，随机分布在（200，200）的区域内。本实验采用了两种不同基站的位置，来衡量原LEACH和改进LEACH的性能好坏。

基站在（0，0）下，对两种协议的网络运行轮数进行了实验，如图3和图4所示。

图3 原LEACH协议的网络模型Fig.3 Network of the original Leach

通过这两个仿真图的对比，可以得出的结论：经过改进的LEACH协议，比原LEACH协议延长了网络生命周期，并且可以清楚的看出改进的协议中出现死亡节点的轮数要多一些，并且半死亡节点的时间也要长一些。在基站位置较偏的情况下，发现改进的LEACH协议对延长网络寿命有一定的作用。

图4 改进的LEACH协议的网络模型Fig.4 Network of the improve Leach

基站在（100，100）下，对两种协议的网络运行轮数进行了实验，如图5和图6所示。

图5 原LEACH协议的网络模型Fig.5 Network of the original

图6 改进的LEACH协议的网络模型Fig.6 Network of the improve Leach

通过5，6两个仿真图的对比，得出的结论：在基站的位置位于正中间时，对网络整体寿命都有延长的作用，但相比较来看，改进的LEACH协议，节点死亡的时间要慢一些，这可以充分的进行传输信息。经过改进的LEACH[7-8]协议节点死亡率明显下降，网络衰减不明显，网络寿命明显延长。

通过3和5，4和6的仿真图对比，得出的结论是，基站的位置也决定了网络的衰减情况，基站离网络节点近时，节点衰亡率较慢，网络周期会有所延长。相反，基站远离网络节点时，节点衰亡率较快，网络周期较短。

4 结束语

上述仿真结果会存在一定的随机性，但随机性不会对本实验结果产生较大的影响，故可以得出，进过改进的簇头协议比原LEACH协议能更好的利用网络的资源，较大程度的提高了能量的利用率，增加了无线网络运行的时间。

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