基于LEACH协议与蚁群算法的无线传感器网络路由协议

朱佳煦

摘要：无线传感器领域的所有关键技术中，路由协议一直是研究热点，采用合适的路由协议能够有效降低无线传感器网络节点能耗以延长网络寿命。LEACH作为经典的无线传感器网络路由协议，具有重要研究意义。传统的LEACH协议采用随机簇头选举方法与唯一的单跳路由策略，在算法运行过程中存在许多不必要的能源消耗，鉴于此，提出一种新的有效路由协议，即静态分簇多跳按需路由协议（OCMR）。它是一个按需路由协议，仅在协议运行首轮选定一定数量的簇头；在数据传输阶段，采用一种基于蚁群算法的单跳结合多跳的路由方法。Matlab仿真实验证明，新协议在节省网络能耗与延长网络寿命方面优于传统LEACH协议。

关键词关键词：无线传感器网络；LEACH；蚁群算法；按需路由协议

DOIDOI：10.11907/rjdk.171770

中图分类号：TP393

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）011021404

0引言

无线传感器系统由随机分布且数量众多的传感器节点与一个基站组成[34]。其中，传感器节点通常分布于不同的环境用以收集环境或物理参数，并将数据送回基站满足网络使用者的需求。汇聚节点作为WSN连接外网的桥梁，通常是持续供能的，并且其数据加工与传输能力也远优于普通传感器节点。同时，普通节点一旦被放置，通常无法更换或为其充电。因此，WSN较传统有线网络有能源上的限制，在设计WSN路由协议时节点的能源有效性必须优先考虑。WSN能源管理相关文献[58]指出，数据感知、数据加工与无线传输是WSN能耗的主要组成。本文将WSN的路由协议作为主要研究对象，由于WSN系统服务于各不相同且特殊的环境，因此在设计路由协议时，需要将其服务的应用纳入考虑。可将无线路由协议分为以下两类[9]：①主动路由协议：通常运用于节点需要一直反馈其监测数据的WSN应用上，网络中的节点需要周期性地打开无线收发器，感知并发送数据，保证应用能够时刻接收到数据；②按需路由协议：与主动路由协议大致相同，区别在于数据传输阶段，在这类协议中，节点根据应用需要，仅在需要时才会打开无线收发器建立数据传输路由，其余时间进入休眠状态。

3.1节点存活率

图3为LEACH与OCMR在死亡节点数方面的性能比较。由于LEACH算法采用概率选举簇头的方式有效地将全网络的能耗负载平均得分配给网络中的所有簇头，然而它缺乏对能量过低节点的保护措施，因此当一个节点死亡后，节点会呈线性相继死亡；而OCMR运用静态优化分簇及簇头轮换机制保证只有能量大于簇内平均水平的簇头才有机会当选为簇头节点，这一机制可避免节点过早死亡现象。由图3可以看出，OCMR的稳定域比LEACH增加了近65%。

图3每轮死亡节点数

3.2平均节点剩余能量

平均节点剩余能量对比如图4所示，可以明显看出，OCMR优于LEACH协议。这是因为，上文提到WSN能耗主要来源于数据传输，而LEACH协议在数据传输方面采用单跳作为所有簇头节点的路由方式，则根据无线电模型能量计算公式，远距离传输较近距离传输将大大增加节点能耗，对网络平衡性十分不利。因此，在OCMR中运用反应式路由控制数据传输量及蚁群算法得到的多跳结合单跳的路由方式优化传输路径，不仅减少了数据的通讯量，而且优化了数据的传输路由。因此，OCMR能保证更均衡且更有效的能量消耗。

图4平均节点剩余能量

4结语

本文为WSN提出了一种新的分簇式路由协议OCMR，采用静态分簇与基于节点剩余能量的簇头轮换机制，减少了重复建簇的能量花销，保护了节点过早死亡，并通过设置阈值的方式控制数据的传输量，同时使用基于蚁群算法的单跳结合多跳的路由进行数据传输，有效避免了长距离传输所造成的能量耗散。最后将OCMR与经典的LEACH协议用Matlab进行仿真对比，结果表明，OCMR在节能、节点存活率以及提高网络平衡性方面优于LEACH协议。

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责任编辑（责任编辑：孙娟）endprint