基于LEACH的WSN路由协议的研究与改进

王 军， 孙健程

(1.沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142;2.中国科学院沈阳自动化研究所， 辽宁 沈阳 110016)

基于LEACH的WSN路由协议的研究与改进

王 军1,2， 孙健程1

(1.沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142;2.中国科学院沈阳自动化研究所， 辽宁 沈阳 110016)

为解决LEACH路由协议簇头选择算法的不足，针对在无线传感器网络选举簇头没有考虑节点的信赖值和簇内节点能量分布不均衡等问题，设计一种基于LEACH协议改进的新算法.通过计算节点的信赖值，作为选择新簇头节点的标准，最后对仿真试验进行性能分析比较，该算法能够满足生产需要，提高节点能量的效率，延长整个网络的生命周期，使网络均衡分配能量并且具有深远的意义.

路由协议； 无线传感器网络； 信赖值； 网络生命周期

无线传感器网络(WSN)是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输.它综合了微电子技术、现代网络及无线通信技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者.WSN综合了传感器技术、自动化控制技术、网络技术和分布式技术等，是一种全新的信息采集和信息处理的新型技术[1-2].

随着近年来网络需求的加剧，其中无线传感器网络协议也在不断地研究与改进，为了更好地适应当前的应用环境，对无线传感器网络的研究与开发成为目前信息领域的一个热点.由于微处理器的低能耗通信科技的快速发展，从而可以搭建大规模传感器节点的网络拓扑结构，监测恶劣环境的无线传感器网络，并且可以解决实际复杂的应用问题[3].在国际上，美国自然科学基金会开展了“嵌入式智能传感器”项目，同时在国内的清华大学、哈尔滨理工大学也开展了对WSN领域的研究工作.尽管无线传感器网络在国内外被深入研究，但无线传感器网络还有许多技术问题有待解决，因此研究一种节约能量的无线传感器网络的路由协议显得非常重要.本文提出一种基于LEACH的WSN路由协议SY_LEACH路由协议，改进的SY_LEACH协议生命周期长、性能高、功耗低.

1 无线传感器网络路由协议

无线传感器网络路由协议是无线传感器网络的核心技术之一，同时也是目前国内外研究技术的热点.无线网络的路由协议主要负责将采集到的数据分组后，从成员节点通过网络协议发送到sink节点，其主要功能为：成员节点寻找与sink节点之间的最优化路径；将采集到的数据经过融合整理，然后在分组沿着最优化路径准确传送[4-5].

LEACH是一种无线传感器网络设计的低功耗自适应分簇分层结构的路由协议，主要思想是将整个网络节点分簇，成员节点将数据发送到簇首节点，簇首节点进行数据融合压缩，再将数据发送给sink节点，这样可减少网络传输的数据包，降低占用的带宽，最后把融合的数据发送给网关节点.目的是节约能量的消耗，充分利用能量资源，保证无线传感器网络的持续性和可扩展性[6].

2 路由协议的总体结构

路由技术是无线传感器网络传输的核心技术，其中路由协议必须能在局部网络拓扑信息的基础上准确选择出从源节点到目的节点的路径.LEACH路由协议的核心思想是分布式算法，传感器节点通过自适应集簇分层算法，在簇内通过随机的选举簇头法，然后簇内的成员节点按照TDMA方式把收集的数据包发送到簇头节点，簇头节点进行数据融合压缩后把数据包发送到基站.在LEACH路由协议的操作过程中，每轮选举分为2个阶段：类建立阶段和稳定阶段.

NPT_LEACH协议是基于LEACH协议改进后的协议，其协议的主要思想是在选举簇头时加入备选簇头集和增加最优簇半径的过程.改进后的协议提高了网络规模适应性并且延长了无线传感器网络的生命周期.

2.1 类建立阶段

主要选择方法：无线传感器节点随机的选择0到1中间的某个值，选择的值如果小于某一个阈值T(n)，那么该节点被选为首节点.T(n)值的计算公式：

(1)

其中:n为网络中传感器节点总数；p为网络节点中成为簇头的百分比；r为当前选举轮数；Gr为在过去1/p轮中不是蔟头的传感器节点组成的集合.当簇头节点向周围成员节点广播消息时，其他成员节点接收到广播消息后，根据接收到广播消息的强弱，确定加入哪个簇内，然后使用载波监听机制向各自簇头节点发送加入通知.

2.2 稳定阶段

收到通知的簇头节点，为簇内的成员节点创建时分多址，成员节点在各自时隙表中，将采集到的数据包发送给簇头节点.簇头节点进行数据融合压缩后，发送给sink节点，直到循环结束，准备下一次聚簇.LEACH协议是简单的分层路由协议，每次随机选取簇头节点时，根据T(n)的选择，避免了簇头节点因为能量耗尽而过早死亡，在无线传感器网络中明显的降低了能量的消耗，延长了整个网络的生命周期.但是在LEACH路由协议中仍然存在不足：在选举簇头的过程中可能会有伪造节点冒充簇头节点的存在，有时簇头会发送虚假信息，影响收集数据的真实性.

3 LEACH路由协议改进

LEACH路由协议在运行的过程中，为了避免坏节点篡改数据，提高无线传感器网络的安全性，因此对LEACH协议的改进主要通过对节点的数据、通信、能量和融合四方面综合考虑计算节点的信赖值.综合评估信赖值可以避免将剩余能量较少的节点选为簇首节点，并且可以解决在小范围内，有一个或多个簇首的出现和簇首节点分布不均的现实问题.

3.1 算法的基本思想

首先假设LEACH协议的环境和改进后的SY_LEACH协议的环境相同，同时应用于LEACH协议的网络模型下.(1) 初始化网络节点同构；(2) 节点能量充足；(3) 基站是固定并且远离无线传感器网络；(4) 节点静止.假设LEACH协议初始化网络节点具有相同能量，初始值为1，经过一轮后，节点消耗能量不同，节点剩余能量和信赖值产生变化，计算出第一轮节点的信赖值，作为下一轮选举簇头节点的标准.

在SY_LEACH协议中，根据LEACH协议选举簇头算法后，计算出第一轮结束各节点的信赖值，并同各自的ID一同发送给簇头节点，簇头节点收到消息后，数据融合发送到基站，基站计算本轮的信赖值和上一轮的信赖值，如果差值大于T(n)时，则从网络模型中删除该节点，然后剩余节点再根据LEACH协议规定的阈值选择下一轮的簇头，这个过程可以提高整个网络传送数据的准确性和真实性.

3.2 计算节点信赖值

在无线传感器网络中计算SY_LEACH协议的节点信赖值，主要从节点的数据、通信、能量和融合四方面来考虑，分别为节点n的数据信赖值Dn、通信信赖值Cn、能量信赖值En和融合信赖值Fn，最后计算出综合的信赖值Sn.

(1) 计算数据信赖值

提高无线网络的容错能力，减少篡改信息，加强数据的准确性和真实性，需要评估各节点的信赖值.根据基于节点多角度信赖的无线传感器网络，将节点的发送报告、数据的容错行和一致性综合考虑，计算出数据的信赖值[7].

数据容错信赖值为：设Dn是节点n的容错信赖值，取值0或1.当簇内发送报告节点的个数大于未发送报告的节点个数时，取值为1.

(2)

式中：esn为节点n一致性收集的次数；enn为节点n不一致性收集的次数.

节点发送报告信赖值为：

(3)

式中：vsn为节点n成功发送次数；vln为节点n失败发送次数.

综合在一起的数据信赖值为：

(4)

式中:α1、α2、α3分别表示数据容错值、数据的一致性和发送报告信赖值的权值，其值根据实际应用选取.

(2) 计算通信信赖值

在无线传感器网络中，数据传输是节点的主要行为，一些不良节点可能会篡改数据的真实性和准确性，此时需要监测数据传输的过程.因此利用Beta信赖模型计算信赖值，Beta(n，m)的分布概率密度函数为[8]：

(5)

式中:n>0，m>0，0≤x≤1.

在WSN路由协议LEACH中，簇内成员节点和簇头节点是一跳通信，所以节点n对簇头节点m的信赖为Bn，m：

Bn,m=Beta(sn,m+1,ln,m+1)

(6)

式中:sn，m表示节点n和m通讯成功次数;ln，m表示节点n和m通讯失败次数.

根据(6)式，可以计算出节点n的通信信赖的期望值：

(7)

(3) 计算能量信赖值

针对无线传感器网络节点中剩余能量分配不均衡问题，如果簇内成员节点负载过大，容易导致能量过低的节点选举成为簇头，发生过早死亡情况，使网络不能完全联通，因此要计算能量信赖值保证簇内节点能量消耗均衡，从而延长网络的生命周期[9].节点能量信赖值为：

(8)

式中:Ec为初始化原有的能量;Es为剩余能量.

(4) 计算数据融合信赖值

在网络中相邻的节点感知数据特性具有相似性，并且具有大量的冗余数据，如果直接将冗余数据进行传输，势必会消耗能量和占用带宽，降低无线传感器网络的生命周期.在无线传感器网络中波束生成算法是一种加权平均法[10].该算法可将传感器收集到的数据进行过滤和融合.节点数据融合信赖值为：

(9)

式中:si()为第i个传感器收集的信号；N为融合传感器的个数；wi()为第i个传感器权重融合器；l为融合器的数量.

(5) 计算最终节点信赖值

数据、通信、能量和融合四方个面共同构成了最终节点的信赖值：

Sn=γ1Dn+γ2Cn+γ3En+γ4Fn

(10)

式中，γ1、γ2、γ3、γ4分别表示数据、通信、能量和融合的权重值，其值根据实际应用选取.

4 测 试

4.1 仿真环境

为了评估改进后的路由协议性能，采用网络仿真工具OPNET进行仿真，采用数据分析软件MATLAB进行数据比较[11]，从节点的剩余能量和节点的存活时间方面考虑，评价改进的新协议的性能.根据以下基本参数设定进行模拟实验：假设SY_LEACH协议在仿真环境中，设置100个传感器节点，监测范围是100 m×100 m，基站位置为(50,50)，节点的初始化能量为1 J，数据融合的能耗为5 nJ/bit，发送和接收数据的能耗为50 nJ/bit，数据包为2 000 bit.

4.2 仿真结果及分析

经过OPNET网络仿真模型，从数据、通信、能量和融合四方面综合选举簇首节点，得到LEACH协议、NPT_LEACH和SY_LEACH协议剩余能量消耗对比以及网络存活节点数对比.

在LEACH协议、NPT_LEACH协议和SY_LEACH协议中，节点剩余能量随时间的变化如图1所示.开始0～83轮时LEACH协议、NPT_LEACH协议和SY_LEACH协议中节点剩余能量相同，但随时间的延续SY_LEACH协议中节点的能量消耗较慢，直到200轮结束时，在SY_LEACH协议中的节点剩余能量多于LEACH协议和NPT_LEACH协议中节点剩余能量.研究表明SY_LEACH算法能够有效控制网络，网络生命周期得到延长.

图1 三种协议剩余能量的比较

在LEACH协议、NPT_LEACH协议和SY_LEACH协议中，存活节点数的变化如图2所示.三种协议在节点数量和网络生存周期相同情况下，采用LEACH协议和NPT_LEACH协议的网络节点存活数量少于采用SY_LEACH协议的网络节点存活数量，LEACH协议在1 400轮时节点全部无效，NPT_LEACH协议在1 500轮时节点全部无效，而SY_LEACH协议在1 600轮才全部失效.仿真结果说明:SY_LEACH协议的性能优于LEACH协议和NPT_LEACH协议，节点的存活率显著增多.

图2 三种协议存活节点数的比较

分析节点的分布情况，三种协议成簇后的节点分布如图3所示.在监测区域内随机分布100个节点，其中簇头数为5个.从图3可清楚的看出： LEACH路由协议簇头负载不均衡，严重出现极小极大现象；NPT_LEACH协议和SY_LEACH协议分布均衡，其中SY_LEACH协议具有更好的负载均衡效果.

(a) LEACH协议

(b) NPT_LEACH协议

(c) SY_LEACH协议

5 结束语

基于LEACH的WSN路由协议研究和仿真，改进了一种新型无线路由协议SY_LEACH.分别从数据、通信、能量和融合几方面分析和研究现有无线传感器网络路由协议的基本特点和设计思想，总结了已有路由协议的优缺点.利用OPNET软件对分层路由协议LEACH实现仿真实验，同时提出了对它改进的SY_LEACH协议，该协议更好的节省和均衡网络中节点的能量消耗，并能满足能量有效性和网络可扩展性的要求，最后从节点剩余能量和节点的存活数量进行仿真分析，仿真结果证明SY_LEACH协议使网络生命周期得到延长，具有显著的理论意义和实际应用.

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Research and Improvement of Wireless Sensor Network Routing Protocol Based on LEACH

WANG Jun1,2, SUN Jian-cheng1

(1.Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

In order to solve the shortness of LEACH routing protocol cluster head selection algorithm,an improved protocol based on LEACH is proposed to solve the problems of node trust value and Energy distribution imbalance.By calculating the trust value of the node,the new cluster head node is selected as standard.Finally,by the simulation analysis and comparison of performance,not only the algorithm can be used to meet the production needs and improve efficiency in the use of node energy,but also prolonge the network life cycle,The project figured out the problem that existed in balanced distribution of network energy distribution with the wireless sensor.

routing protocol； wireless sensor network； trust value； network life cycle

2013-12-18

中国科学院重点部署项目(KGZD-EW-302)；辽宁省工业公关项目(2012219001)；辽宁省教育厅项目(L2013157)

王军(1978-),男,辽宁大连人,博士,副教授,主要从事工业无线网络、网络软件进化方面的研究.

2095-2198(2015)04-0363-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.04.014

TP393

A