无线传感器网络LEACH算法的改进

王浩

摘要：本文提出了一种LEACH协议的改进协议（L-LEACH）。这是一种有效的路由协议，可以延长电池的使用寿命。L-LEACH考虑剩余能量和簇头选择，并为WSN提供节能传输方案。与传统的LEACH协议相比，所提出的方法在活节点数，能量耗散，消息成本方面提供了更好的结果。

关键词：能源管理；节能方法；无线传感器网络；LEACH；簇头选择

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0137-01

1 LEACH协议概述

由于使用大量小型和低成本传感器节点的可行性，无线传感器网络（WSN）已被许多研究人员所关注。典型的无线传感器网络由大量电池供电的传感器节点组成，这些节点用于监视和收集有关本地区域的数据，并将数据报告给汇聚节点（基站）进行分析。WSN广泛应用于监控环境，军事，工业，安全，家庭应用和医疗保健等领域[1]。

LEACH是一种分层的跨层协议架构，它将媒体访问与路由相结合，收集数据并将数据传输到基站。为了获得低能耗，增加网络生命周期，LEACH使用包含许多迭代的分层方法。每次迭代包括设置阶段和稳定数据传输阶段[2]。在设置阶段从所有传感器节点随机选择簇头，并动态创建多个簇。在稳定数据传输阶段，每个集群中的成员节点将数据传输到它们自己的簇头。从成员节点接收的数据被压缩并将压缩数据发送到汇聚节点。

2 簇头选择

每个传感器节点产生一个0到1之间的随机数，然后与LEACH协议的公式产生的阈值T（n）做比较，若小于T（n），那么该节点可能当选为簇头。如果最终当选为簇头，则广播消息告知其它节点，等待其它非簇头节点的加入。

式中，p为簇首的比例，r表示网络当前运行的轮数，G表示在最后的1/p轮中还没有成为簇首节点的集合。在r=0时，每个节点都以p的概率成为簇头，经过1/p-1轮后阈值变为1。

3 网络能耗模型

LEACH算法的能耗模型为：

（2）

（3）

是发送k比特数据、传输距离d的能耗，则是接收k比特数据的能耗。

4 LEACH协议的缺点

与一般的平面多跳路由协议和静态分层算法相比，LEACH协议能够延长15%的网络周期，但仍有一些缺点：（1）LEACH协议假定所有的节点都可以与基站直接通信，所以它不能应用于大规模无线传感器网络中[3]。（2）没有考虑节点所剩余的能量，采取随机选择簇头的方式，导致能量低的节点也能被当选为簇头，加速节点的死亡。（3）不考虑簇头节点与汇聚节点的距离，当簇头离汇聚节点很远时仍采用单跳通信的方式，导致节点消耗大量能量。

5 改进的L-LEACH协议

改进后的L-LEACH协议考虑加入节点至汇聚节点的距离以及节点当前剩余能量这两个因素。其中，新算法的建立和稳定传输阶段与传统LEACH算法大致相同，主要是在选择簇头时加入两个新因子以平衡簇头的选择。

5.1 间距因子

无线传输的发射功率和接收功率的关系为：，PT是发射功率，PR是接收功率，r是传输距离，n为传输因子。可以看出接收功率和传输距离成反比，也就是说节点距离汇聚节点越远，接收到的信号就越弱。由此，汇聚节点可以通过自身接收到的最弱信号得知与其距离最远的点，记其至汇聚节点的距离为dmax。记传感器網络中每个节点与汇聚节点的距离为di，同样，这些信息可以通过和汇聚节点间的通信得知。那么间距因子则为：。di为当前节点到汇聚节点的距离，dmax则为所有节点至汇聚节点的最远距离。若节点与汇聚节点的距离过远，比如大于能耗模型中的d0，那么其传输能耗将会消耗更多能量，此时应使该节点被选为簇头的概率有所降低。

5.2 能量因子

网络刚部署时各节点剩余能量大致相同，但随着时间流逝，各节点剩余能量参差不齐，这时候就要尽量选择剩余能量高的节点作为簇头。记当前节点能量为Ei，所有节点初始能量为Emax.。则能量因子为：。这样会使剩余能量过低的节点当选为簇头的概率相应降低。

6 结语

本文在考虑了距离因素和剩余能量因素后，提出了一种基于LEACH协议的改进协议L-LEACH。该协议可以降低能量消耗，提高能量效率，延长无线传感器网络存活时间。具有实际意义。除此之外，可以考虑在如何均匀分簇这一点上多下功夫，以期获得更好的结果。

参考文献

[1] Liao Q， Zhu H.An Energy Balanced Clustering Algorithm Based on LEACH Protocol[J].Applied Mechanics & Materials，2013，341-342：1138-1143.

[2] Zeydan E，Kivanc D，Comaniciu C，et al.Energy-efficient routing for correlated data in wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2012，10（6）：962-975.

[3] Arumugam G S，Ponnuchamy T.EE-LEACH： development of energy-efficient LEACH Protocol for data gathering in WSN[J].Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking，2015，2015（1）：1-9.

Abstract：This paper proposes an improved protocol for LEACH protocol （L-LEACH）. This is an effective routing protocol that extends battery life. L-LEACH considers residual energy and cluster head selection and provides an energy efficient transmission scheme for WSN. Compared with the traditional LEACH protocol， the proposed method provides better results in terms of the number of live nodes， energy dissipation， and message cost.

Key words：energy management；energy saving method；wireless sensor network；LEACH； cluster head selection