基于分层簇的无线传感器网络路由协议

仇多利，卓翔芝，罗婷婷

(1.淮北师范大学 管理学院，安徽 淮北 235000;2.淮北师范大学 数学科学学院，安徽 淮北 235000)

基于分层簇的无线传感器网络路由协议

仇多利1，卓翔芝1，罗婷婷2

(1.淮北师范大学 管理学院，安徽 淮北 235000;2.淮北师范大学 数学科学学院，安徽 淮北 235000)

在无线传感器网络技术中，路由技术是研究的热点.本文分析经典分簇路由算法LEACH协议的不足，提出一种基于分层簇路由协议LEACH－L.该算法把无线传感器网络覆盖区域依据普通节点据汇聚节点的远近将传感区域分成大小不等的层，在层内进行分簇，并依据能量因子参数优选簇首.仿真结果表明，该算法能有效地减少能量损耗，延长网络的生存周期.

无线传感器网络;分层簇;路由协议;仿真

随着微电子技术的发展，传感器技术也朝着微型化、低功耗、多功能的方向快速发展，正广泛应用于社会的各个领域.无线传感器网络由分布在需求区域内众多的传感器节点组成，协作地采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送给汇聚节点.但由于传感器节点的能量是有限的，因此，在设计无线传感器网络时，都以低能耗作为首要考虑因素，在涉及到的众多技术中，无线传感器网络路由协议是研究的热点之一.

无线传感器网络路由协议技术主要分为平面路由协议和多层路由协议.平面路由协议主要有洪泛协议、SPN协议、DD协议，典型的分层路由协议主要有TEEN、SOP、LEACH.相比于平面路由协议，分层路由协议通过将传感器节点组织成簇的结构.LEACH是分层路由协议中最早提出的分簇路由算法，但是LEACH协议是通过等概率随机循环算法选取簇首，并没有考虑到簇首的分布密度，并且簇间路由采用一跳通讯，节点的能耗较高.现在研究的主要热点集中在对现有路由协议的改进，以提高网络生命期.本文拟对LEACH协议存在的问题进行研究并进行改进，提出一种基于分层簇的无线传感器网络路由协议LEACH－L.

1 LEACH存在的问题

LEACH协议工作过程主要分两个阶段:第一阶段是成簇阶段.在成簇阶段，每个节点都产生一个在0到1之间的随机数，并将此随机数与节点成为簇头节点的百分数 T(n)进行比较，如果随机数小于 T(n)，则该节点即当选为簇头节点，如果大于 T(n)，则为普通节点，则等待簇头节点的广播.T(n)采用如下公式计算:

簇头节点确定后，即广播自己成为簇头节点，等待非簇头节点的加入.非簇头节点会接收到若干簇头节点的广播，会选择距离自己最近的簇头节点告知相应簇头，加入相应簇，所有节点加入完毕后，完成簇的建立.第二阶段即为稳定数据传输阶段.在所有节点加入相应簇之后，簇头节点使用TDMA为簇内成员分配时隙，成员节点接收时隙后即进入休眠状态等待自己的时隙发送数据.簇头节点接收到所有数据后，进行数据融合消除冗余数据后再发送给SINK结点.

以上情况都是在理想状况下的，在实际应用中，LEACH存在以下不足:1.因为网络规模的不同和节点分布情况是随机的，不是均匀的，在该协议中并没有考虑节点分布密度不均的情况，因此一个较好的 p值是十分难确定的.2.由于采用单跳通信，因此该协议并不适合较大规模的无线传感器网络.3.各个结点在理想状态下，原则上成为簇首的次数是相等的.而由于实际网络并不是理想状况，随着网络的运行，各个结点的能量消耗肯定不一样，这就导致了在后期的簇首选择中，有可能会由于某个节点的能量太少而加速过早的死掉，将极大的减少网络的生命期.最重要的一点是在LEACH中，除一轮的簇首选举都是相对独立的，没有太大的关联，唯一的关联就是在一个周期 r－1轮次中已经成为簇首的节点不能再成为节点.

2 LEACH－L算法描述及分析

基于LEACH算法存在的问题和分布式传感器网络的特点，本文提出一种基于分层簇的改进型LEACH LEACH－L.该算法主要从成簇空间进行划分，把节点分步空间划分成若干大小不等的带状区域进行区域内成簇.另外，对LEACH中的轮次之外进行补充，加入更高层次的循环，形成图1所示的轮次.

其中，形成簇分层的外层轮次包含若干次并且远大于形成簇首和稳定数据传输轮次，在内部轮次中，稳定数据传输时间要远大于形成簇首时间.

在文献[3]中提出计算最优簇头数的思想.在本文的算法中把最优簇头数的计算控制在带状区域内，在文献[4]中，提出负载平衡因子.在本文算法中我们把负载平衡因子加入到簇头的选举当中以提高网络的生命周期.LEACH－L算法主要分为3个阶段:

1)分层阶段.在分层阶段，所有节点都是初始状态，在开始工作之后首先向SINK节点广播一条报告信息.SINK节点在收到所有节点的报告信息之后可得知最远节点距自己的距离(假设节点可以根据发射功率计算出距离)，并根据如下公式得到层次数 l:

式中 dmax和 dmin分别代表节点到汇聚节点的最大距离和最小距离，L代表最大层次数，R是网络规模因子得到层数信息后，SINK结点广播告知各节点所属层次.

2)形成簇首阶段.确定层数之后，SINK结点将层次编号信息发送给所有节点，此时，节点可知自己所属层次.各个节点得知自己所属层次后，广播hello信息，可以得到层内节点的度信息，根据文献[3]中公式得到最优簇头数，

并根据文献[6]确定簇首.

3)稳定数据传输阶段.在此阶段，采用多跳式路由到达汇聚节点.图2为算法执行后形成的网络图.

3 仿真分析和结论

基于LEACH协议和LEACH－L协议，使用opnet分别进行仿真.仿真环境为1 000＊1 000的区域内分布150个网络节点，节点的通信范围为130，仿真结果如图3所示.

LEACH－L在形成分层之后，在距离阀值之内的使用单挑通信和汇聚节点通信.超出阀值的使用多跳通信通过相邻层的汇聚节点发送采集的信息到汇聚节点，所以在通信方式上比LEACH协议全部采用单跳通信所损耗的能量要少.另外，通过分层以及最优簇头数的计算，使LEACH－L协议在一定程度上较大地提高无线传感器网络的生命周期.

今后进一步的研究工作:因为传感器的数量和分布的空间不确定，一个较好的分层数难以确定.这里做一个简单的思考，假设节点空间基本为平面，区域为 k，传感器节点数为 n，可以计算得到单位空间 k/n，再根据dmax、dmin和网络规模因子 R，可以研究如何得到最优的层次数公式.另外，在本论文中，在分层的时候并没有考虑到剩余节点的能量，也可以把节点的剩余能量考虑进去，形成分层的层数.

[1]李成法，陈贵海，叶懋，等.一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机学报，2007，30(1):29.

[2]于飞，郭静，胡继珍.一种无线传感器网络路由协议的研究与仿真[J].青岛科技大学学报:自然科学版，2011，32(1):32.

[3]王江涛，杨庚，陈生寿.基于最优簇头数的无线传感器网络安全LEACH路由协议[J].南京邮电大学学报:自然科学版，2008，28(3):28－29.

[4]刘志东，唐智灵，曾丽珍.基于负载平衡因子的传感器网络路由算法研究[J].微计算机信息:测控自动化，2009，25(5－1): 150－151.

[5]戴世瑾，李乐民.高能量有效的基于分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机应用研究，2010，27(6):2 201－2 203.

[6]SCHURGERSC，SRIVASTAVA M B.Energy efficient routing in wireless sensor networks[C]∥Proceedings of the IEEE Military Communications Conference(MILCOM)，McLean，VA，2001:3572361.

[7]HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.An application－specific protocol architecture for wireless micro sensor networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1(4):660－670.

Abstract:In the wireless sensor network，the focus of research is routing technology.The Leach's shortcomings were analyzed in this paper，a routing protocol(Leach－L)based on hierarchical cluster was proposed.According to the distance of node to the sink node，LEACH－L divided the wsn's area into some layer，which was the ranging in size from the distance.The simulation results indicated that the Leach－L protocol could efficiently save the energy consumption and prolong the wireless sensor network lifetime.

Key words:wireless sensor networks;layered cluster;routing protocol;simulation

Wireless Sensor Networks Routing Protocol Based on Layered－Cluster

QIU Duo-li1，ZHUO Xiang-zhi1，LUO Ting-ting2
(1.School of Management，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China;
2.School of Mathematical Sciences，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China)

TP 393

A

2095－0691(2012)03－0068－03

2012－03－29

教育部人文社科研究一般项目(10YJC630427);淮北师范大学青年基金项目(700570)

仇多利(1981－ )，男，安徽淮北人，硕士，研究方向:计算机网络.