无线传感器网络分簇路由协议研究

张雅琼+张慧

作者简介：张雅琼（1983—），女，陕西榆林人，讲师，硕士研究生。研究方向为物联网技术、计算机网络。

张慧（1984—），女，陕西榆林人，讲师，硕士研究生。研究方向为物联网技术、射频识别技

摘要： 经典的分簇路由协议LEACH在无线传感器网络中有着非常广泛的应用，针对LEACH协议在成簇时没有考虑簇头节点的能量等因素的缺陷，为延长网络生存期在LEACH协议基础之上，在簇头选择公式中加入节点剩余能量的参数，使得选举能量较高的节点为簇头，提出改进的LEACH协议。并在网络模拟软件NS2平台下，对改进的LEACH协议与原LEACH协议进行仿真比较分析，结果表明改进后的协议中各个节点能耗均衡，避免个别节点过早衰亡，可以延长网络生存期。

关键词： LEACH； 分簇； 节点能耗； 无线传感器网络

中图分类号： TN911⁃34； TP393文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）08⁃0029⁃03

Research on clustering routing protocol for wireless sensor network

ZHANG Ya⁃qiong， ZHANG Hui

（College of Information Engineering， Yulin University， Yulin 719000， China）

Abstract： The classical clustering routing ptotocol LEACH is widely used in wireless sensor networks， but the energy of cluster head node is not considered in the clustering process of LEACH protocol. In order to prolong the life cycle of the network， the parameter of node residual energy is added into the cluster head selection formula on the basis of LEACH protocol， so that the nodes which have more energy can be chosen as cluster heads. The improved LEACH protocol is proposed. On experimental simulation platform of the NS2， the improved LEACH protocol and the original LEACH protocol were simulated and compared. The results indicate that the energy consumption of each node in the improved LEACH protocol is balanced， which can avoid premature dead of individual node and extend the network life cycle.

Keywords： LEACH； clustering； node energy consumption； WSN

0引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是物联网的感知层，由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，通过无线多跳通信方式形成的一个Ad⁃Hoc网络，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围中感知的对象信息[1]。WSN中传感器节点监测得到的数据如何沿着其他节点传输，如何到达汇聚节点都是路由协议需要解决的问题。无线传感器网络中节点体积小、能量有限使得在设计路由协议时必须遵循能量优先的原则，尽量节能以延长节点的使用寿命。与无线传感器网络相比传统网络路由协议设计更加关注的是提供较高的服务质量和高效利用网络带宽[2]。

1LEACH协议

LEACH协议是WSN中经典的分簇层次型路由协议，是一种低功耗、自适应层次路由算法。其与传统协议相比LEACH能较好的降低能量消耗，延长网络的生存时间[3]。

LEACH协议中节点自组织成簇，簇中某个节点担任簇头。不同簇之间使用CDMA机制互不干扰，所有簇内成员使用TDMA机制在分配给自己的时隙内将数据发送到簇头，簇头接收所有簇成员发送的数据，然后对各成员的数据进行融合，之后各个簇头根据CSMA机制将数据发送给远方的汇聚节点[4]。所以簇头工作量大，故比簇成员能耗大。

LEACH协议是分轮（round）运行的，每轮分为簇的建立和数据传输两个阶段。簇的建立阶段主要是选举簇头并形成各个簇，数据传输阶段是进行数据传输，包括簇成员发送数据到簇头以及簇头发送数据到汇聚节点。为了使能量消耗小，通常建立阶段较短，传输数据阶段持续时间要比建立阶段的时间长。

成簇过程为：传感器网络中所有节点产生一个随机数，随机数的范围在0~1之间，如果这个数小于节点预设的阈值T（n），则该节点成为簇头节点，同时该节点广播自己成为簇头的信息[5]。阈值T（n）的表达式如式（1）所示：

[T(n)=p1-p(rmod1p), if n∈G 0,   other ] （1）

式中：P是期望的簇头占所有节点的百分比，即每个节点成为簇头的概率，取值范围在4%~5%之间，不同应用场合略有不同；r是当前运行的轮数；G是一个集合，包括在最近[1p]轮中还未当选过簇头的节点。

LEACH协议存在很多优点的同时，也存在一些缺点，如LEACH协议选择簇头时并不考虑节点的剩余能量，这样可能导致能量较少的节点担任簇头，是的能量快速耗尽，加速节点的死亡[6]，缩短网络生存期。而且簇头产生时并未考虑簇头的位置，因此簇头的分布不一定是合理的，可能导致有的区域簇头偏多有的区域簇头过少，簇内成员的传输距离延长导致能耗变大。

2能量模型

NS2（Network Simulation）网络模拟软件中已定义好了无线通信系统中的能耗模型，其模型如图1所示。

图1 无线通信能耗模型

图1中，模型包含发送数据和接收数据的消耗[7]。发送数据的能耗包括射频模块和信号放大器的能耗，接收节点的能耗仅包括接收电路的能耗。ξfriss⁃amp是信号放大器的倍数。信号放大器的能耗根据收发双方之间距离的可以采用自由空间衰落模型和多路径衰落模型。自由空间衰落模型中，路径损耗数为2，即d2能量损耗；多路径衰落模型中，路径损耗指数为4，即d4能量损耗[8]。ERF表示发送或接收1 b数据时发送电路或接收电路的能耗。假设信道是对称的，即节点1向节点2发送数据的能耗与节点2向节点1发送数据的能耗完全相同。根据图1所示的模型，发送M比特数据所消耗的能量如式（2）所示[9]：[ETx(M,d)=ERF·M+ξfriss-amp·M·d2,    d

ξfriss⁃amp和ξtwo⁃ray⁃amp与所使用的传输放大模型有关，dc是一个距离常量可用式（3）表示：

[dc=4πLsλhsht] （3）

式中：Ls表示系统能耗，与传输数据量无关；hs是接收节点天线的长度；ht是发射节点天线的长度；λ为载波的波长。

传输距离为d，接收M比特数据接收方消耗的能量如式（4）所示[10]：

[ERxM=ERF·M] （4）

3LEACH协议的改进

LEACH协议运行时的簇头的产生是随机的，为均衡网络中各个节点的能量消耗，可以在选择簇头时，加入剩余能量的因素。在改进协议时，把节点的能量作为簇头选取的参考因素之一。用E′表示节点的剩余能量，E0表示节点的初始能量，用增大当前剩余能量较高的节点被选为簇头的概率，来均衡能耗，提高网络的健壮性。同时使簇头的选举尽量公平，在选举时考虑节点未当选簇头的轮数，用r′表示该节点未当选簇头的轮数，r表示已经进行的轮数，增加未当选簇头节点成为簇头的概率。改进后的簇头的选择公式如式（5）所示：

[T(n)=p1-p(rmod1p)·E′E0·r′r , if n∈G 0,   other ] （5）

4算法仿真与分析

NS2是由美国加利福尼亚大学Berkeley分校等四家教育和研究机构共同开发的网络仿真平台。它是一种离散事件模拟器，有一个Scheduler类，负责记录当前的时间、调度队列中的事件并提供函数产生新的事件，其提供了多种协议的模拟，并提供了大量的脚本。NS还有丰富的构建库，强大的数据采集功能。本文以NS2作为仿真平台。目前LEACH协议仿真代码mit.tar.gz可以从网上获得，脚本文件中对网络的一些设置参数如表1所示，假设所有的节点都静止不动。

仿真对LEACH协议源代码进行改进以实现LEACH⁃i协议，设置相同的脚本进行仿真，记录仿真结果并使用Origin绘图进行对比分析。仿真结果如图2所示，改进簇头选择公式后，LEACH⁃i协议对比LEACH协议可以明显降低节点能耗，避免单个节点提前死亡，显著延长网络生存期。

表1 仿真参数

图2 仿真结果分析

5结语

本文通过对LEACH协议的分析，提出了路由协议LEACH⁃i，在簇头选择公式加入节点能量因素。NS2仿真结果表明，LEACH⁃i协议比LEACH协议节约网络能量，延长了网络生存期。但LEACH⁃i协议仍有缺点，如没有考虑到簇头在网络分布是否合理，这对于无线传感器网络生命周期的进一步延长有很大影响，日后需做进一步的改进和完善。

参考文献

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[6] 张荣博，曹建福.利用蚁群优化的非均匀分簇无线传感器网络路由算法[J].西安交通大学学报，2010，44（6）：33⁃38.

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