WSN中基于LEACH的改进路由协议

黄真金 李道全 张俊虎2

摘要：针对LEACH协议中簇首分布不均匀和节点能量消耗不均衡的问题，为了提高节点能量利用率，延长网络运行周期，提高节点在网络运行过程中的存活率，提出了一种LEACH-NE改进算法。该算法综合考虑节点到基站的距离及节点的剩余能量等因素确定最佳簇首个数，然后通过考虑能量因素来优化簇首选择。仿真结果证明了改进后的路由协议在网络运行周期和网络能量消耗方面优于LEACH协议。

关键词：无线传感器网络；路由协议；网络运行周期；能量消耗；最佳簇首个数；簇首选择

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）06-1216-04

Improved Routing Protocol Based on LEACH in WSN

HUANG Zhen-jin1， LI Dao-quan1， ZHANG Jun-hu2

（1.College of Computer Engineering， Qingdao Technological University， Qingdao 266033， China； 2.College of Information Science and Technology， Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266044， China）

Abstract： In view of the uneven distribution of cluster head nodes of LEACH agreement energy imbalance problems， in order to improve the utilization efficiency of node energy， prolong the network operation cycle， improve the survival rate in the process of nodes in the network operation， puts forward a improved algorithm LEACH - NE. The distance of the node to the base station considered in the algorithm and the residual energy of nodes factors determine the optimal number of cluster head， then by considering the energy factor to optimize selection of cluster head. The simulation results proved that the improved routing protocol in network operation cycle is better than that of LEACH agreement and the network energy consumption.

Key words： wireless sensor network （WSN）； routing protocols； the network operation cycle； energy consumption； optimal number of cluster head； selection of cluster head

无线传感器网络（WSN）路由协议按网络拓扑结构可以分成平面路由协议和分层路由协议。LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）协议即低功耗自适应聚类路由协议属于WSN路由协议的一个分层路由协议。LEACH协议随机选择节点做簇首，平均分担整个网络中的中继通信业务，最终达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，这种协议方式延长了网络的生命周期。但是，由于它仅考虑了选择簇首时的公平性，没有把簇首的剩余能量等因素考虑在内，因此容易导致网络节点能耗不均，对整个无线传感器网络的存活周期造成影响。

针对LEACH协议存在的不足，该文对LEACH协议进行了改进，该LEACH-NE算法在簇首选择时，综合考虑节点的剩余能量和节点到基站的不同通信距离等因素，簇首与基站之间采用多跳方式进行数据传输。改进后的算法不仅提高了节点能量利用率，降低了节点能耗，而且延长了网络运行周期，均衡了网络的负载。

1 LEACH协议概述

1.1 工作过程

LEACH协议操作分为簇形成阶段和数据通信稳定工作阶段，两个阶段时间总和称为一轮（简记“r”，round）。在簇建立阶段，随机选择簇首，相邻节点动态地加入簇首成簇；簇形成后进入稳定数据通信工作阶段，簇首开始采集簇内节点数据，然后对数据进行融合，将融合后的数据传输给基站。

簇首选举过程如下：节点随机产生一个0～1的随机数，如果该值小于阈值[T（n）]，则发布自己是簇首的消息。[T（n）]表示为

[T（n）=p1-p[rmod（1p）]，n∈G0 ，n?G]

其中：[p]是簇首数占总节点数的百分比，[r]是当前选举的轮数， [G]是在最近[1p]轮中未当选过簇首的节点集合，[n]为节点标号。

节点当选为簇首后发布给其他节点自己是新簇首的广播消息，然后非簇首节点通过自己与簇首之间的距离来选择加入哪个簇，当簇首接收到所有加入信息后，就产生一个TDMA定时消息，为本簇节点安排工作时间。

1.2 LEACH协议存在的问题

1） LEACH中随机选择簇首，未考虑每个节点的剩余能量，这样就存在剩余能量少的节点有可能当选簇首，从而加速了该节点的死亡，进而降低了网络寿命。

2） LEACH协议假设所有的节点都能直接与基站通信，离基站距离较远的簇首可能能量消耗会比较快，这样会造成网络的覆盖范围和生存时间受到影响。因此，LEACH协议在监测范围大的无线传感器网络中不适用。

2 LEACH-NE协议

新协议综合考虑每个节点的剩余能量和整个网络的平均能量，筛选出剩余能量大于或等于网络平均能量的节点，再调整簇首阀值[T（n）]，提高能量较大者成为簇首的可能性，从而保证各网络节点能耗负载的均衡。

2.1 最佳簇首个数的确定

2.1.1 最优簇首数计算公式

假定整个网络能耗模型在距离[d]上发送一条长度[k]比特消息的能耗为[ET]，[Ee]为单位比特数据在发射或接收电路中的能耗，[εfs]和[εmp]分别为自由空间模型和多路径衰减模型下的功率放大损耗，则[ET]的计算公式为：

[ET（k，d）=Ebr（k）+Etx-amp（k，d）=kEe+kεfsd2，d

其中：当传输距离[d

多径衰落模型是指在信号的传播过程中，由于受地面条件的影响，会产生多个经过不同路径到达接收基站的信号，通过矢量叠加后合成时变信号的传播模型，多径衰落模型的使用适用于簇成员节点和簇首节点之间的距离较远的情形；自由空间传播模型是无线电波传播模型的一种，适用于簇成员节点和簇首节点之间距离较近的情形。

假设整个传感器网络分布在一个[Y×Y]的区域中，一共有[X]个传感器节点，将这些节点分为[M]个簇，每个分簇有[N]个节点，设群首给成员节点发送信号能耗记为[ES]、群首接收信号能耗记为[ER]、群首将信号发送给基站能耗记为[EF]。每个簇首节点所消耗的能量[ECH]为：

[ECH=ES+EF+ER]

在簇首向基站发送数据时，引入了多跳数据传输机制，让距离基站较近的簇首适当承担一些数据中继转发任务，变直接长距离通信为间接多次短距离通信，簇首采用自由空间模型给中继节点发送数据，设距离为[d1]，由公式（1）可知：

[Es=kEe+kεfsd12]

设[EDA]为融合一个比特数所消耗的能量，[k]为每条数据消息的比特数，则在数据完全累计的情况下簇首累积所消耗的能量EF计算公式为： [EF=kEDAN]

簇首节点接收成员节点消耗能量ER计算公式为： [ER=kEe（N-1）]

因此，任一簇首节点所消耗的能量[ECH]计算公式为：

[ECH=kEe+kεfsd12+kEDAN+kEe（N-1）=k（Ee+EDA）N+kεfsd12] （2）

簇首节点到成员节点的距离不远，设距离为[d2]，得到每个非簇首节点的耗能[Enon-CH]计算公式为：

[Enon-CH=kEe+kεfsd22] （3）

在传感器场离基站较远的情况下，假定簇首节点需要经过[t]跳才能到达基站，在多跳的过程中进行数据累积。每跳距离相等用表示[z]，即有[d2=z]。则Sink节点把消息传递到基站的能耗[EH]计算公式为：

[EH=（t-1）[kEe+（kEe+kεfsz2）+2kEDA]] （4）

假设一个簇的面积：[S=πR2=NY2X?R=NXπY]，设[ρ（x，y）]为每个簇中传感器节点的分布密度，其值为：[ρ（x，y）=XNY2]，令[x=rcosθ，y=rsinθ]，得到非簇首节点到达其簇首节点的平方距离期望值为：

[E[d22]=S（x2+y2）ρ（x，y）dxdy=r2ρ（r，θ）rdrdθ=ρ02πr=0r=NXπYr3drdθ=NY22πX]

代入（3）式得： [Enon-CH=kEe+kεfsY2N2πX]

其中[N=XM]，那么最差情况下整个网络的能量消耗为：

[Etotol=[（N-1）Enon-CH+EH+ECH]M] （5）

将（2），（3），（4）代入（5）式并由[dEtotaldM=0]确定最佳簇首的个数：

[kopt=Y2X/2π×εfs/2（t-1）（Ee+EDA）-Ee+tεfsz2]

2.2 LEACH-NE簇首选择策略的改进

在选择簇首之前，记[Ec]为每个节点的剩余能量，基站在每一轮初始阶段，计算全网的平均能量记为[Eav]，当前网络中[m]个存活节点的剩余能量之和记为[Eto]，则有[Eav=Etom]，有资格成为簇首的节点需满足： [Ec≥Eav]

为了在此基础上选取能量较大者成为簇首，需将节点剩余能量和网络的总能量等因素考虑进来，调整阀值[T（n）]可修改为：

[T（n）=p1-prmod（1p）×maxkoptm×EcEav，1，n∈G0 ， n?G]

改进后的簇首选择策略，使得剩余能量较大的节点具有更大的簇首阀值，增加其成为簇首的可能性，使得选择簇首的策略更加合理，更好的保证了网络负载的均衡，因此，簇首个数选取在最佳范围内可以提高网路性能。

3 仿真实验数据分析

本文基于Matlab软件平台对LEACH、LEACH-NE算法进行了仿真实验，参数设置如下：100个传感器节点随机分布于一个100 m[×]100 m的传感器场中，Sink节点位于（50，50），每个节点的初始能量为0.5 J，。仿真实验中的通信能量参数设置如下：[Ee=50×10-9J/bit，εfs=10×10-12J，εmp=0.0013×10-12J，EDA=5×10-9J，]开始100个节点随机分布在传感器场中如图1所示。

图1 100个传感器节点的分布

从仿真结果图2可以看出，LEACH协议出现第一个死亡节点时网络运行的周期数低于LEACH-NE协议出现第一个死亡节点时网络运行的周期数，LEACH-NE整个网络生存时间远远大于LEACH的网络生存时间。从而可知，新算法不但提高了存活节点利用率，而且延长了网络的生存周期。

图2 种协议的网络存活节点数岁运行时间变化关系

图3显示的是改进后的LEACH-NE剩余能量节点图和原有的LEACH协议剩余能量节点图随运行周期变化的曲线。由图可知，在整个网络运行相同周期数的情形下，LEACH-NE协议的剩余能量节点数目比LEACH剩余能量节点数目要多，提高了节点能量利用率。

图3 剩余能量节点随运行周期变化关系

4 结束语

本文针对LEACH协议在选择簇首策略方面存在的不足，提出一种新的改进路由协议LEACH-NE.该协议在确定最优簇首数的基础上综合考虑节点的剩余能量和整个网络的平均能量等因素来达到优化簇首选择的目的，同时在数据通信的过程中，并且采用了单跳和多跳相结合的簇首间通信机制。仿真结果证明，新改进后的LEACH-NE协议在节点能量利用率，网络生存周期方面相对于LEACH协议都有较大的提高。

参考文献：

[1] Heinzelmam W B. An Application-specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Trans. on Wireless Communications，2002，4（1）：660-670.

[2] Heinzelmam W R.Energy-efficient Comunication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]//Proceedings of the 33rd Internationl Conference on System Sciences.Hawaii，USA：IEEE Computer Society ，2000：1-10.

[3] Heinzelman W R，Chandrakasan A，Balakrishnan H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1（4）：660-670.

[4] 李振科，陈国定，王淑华.基于LEACH协议的改进路由算法[J].计算机应用，2009，29（z2）：63-65.

[5] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6] 陈林星.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[7] 胡刚.无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进[J].传感器学报，2007，20（6）：1391-1396.

[8] 柳平，陈欢，石中华，吕金凤.基于LEACH协议的改进路由算法[J].测试技术学报，2012，26（5）：417-421.

[9] 刘爱东，卢忠武，刘德浩.基于LEACH的低功耗路由协议研究[J].计算机工程与应用， 2012，48（24）：88-90.