基于最优簇头数的LEACH 算法的改进

罗丹霞 湖南工学院计算机与信息科学学院

1 LEACH 路由协议

LEACH 路由协议是分层的传感器网络路由协议。该算法的基本思想是[1]：在簇生成阶段，各节点（SN）随机选取一个介于（0，1）之间的值，若该值小于阈值T（n），则该节点成为簇头(CH)。阈值T（n）的计算公式如下：

公式1：阈值计算公式

由于簇头选取的随机性，有以下四个缺点：

（1）簇头分布不能保证均衡。（2）每轮簇头数量随机。（3）簇头的选取没有考虑节点的剩余能量。（4）簇头与BS 通信采用单跳的方式。

2 改进后的LEACH-EN 算法原理设计

2.1 最优簇头数的计算

在 L E A C H 协议算法中，采用第一顺序无线电信道模型。

根据此模型，传感器节点发送Kbit 字节的能量消耗为：

一般认为BS 距离节点较远，所以采用多径衰减模型即d4进行计算。

每个非簇头节点仅仅需要将自己的数据传输给簇头节点。由于簇头节点和非簇头节点间的距离相对较近，所以能量消耗遵循自由空间衰减信道模型。每个非簇头节点消耗的能量为：

这样，一个簇在一帧内的能耗为

2.2 LEACH-EN 准备阶段

图1 节点分布图

本文采用九宫格区域划分法，假设基站位于区域上方（50，100）的位置。初始化时每个节点根据自己的位置判断所在方格，保存自身到基站的距离。算法如下：

for i=1：i：n

if(i 的坐标位于区域1)

s(i).area_id=1；

……..

if(i 的坐标位于区域9)

2.3 LEACH_EN 簇头选举

为了修正原来算法中簇头选取没有考虑节点的剩余能量，结合最优簇头数，本文修正簇头选举阈值公式2 为：

公式2 改进后的阈值公式

簇头选择伪码如下：

IF 轮数r 为奇数

For i=1：1：n

If 节点i 格子编号在2，6，6，8，5&&节点i 的剩余能量大于该区域平均能量&&该区域未有簇头

该节点当选簇头

Else

For i=1：1：n

If 节点i 格子编号在1，3，5，7，9&&节点i 的剩余能量大于该区域平均能量&&该区域未有簇头 该节点当选簇头

3 仿真实验及结果分析

3.1 仿真模型

本文使用MATLAB[5]对LEACH-EN 进行了仿真，并和LEACH协议进行了对比，仿真主要参数如表1：

表1 仿真参数

数据包的大小为2000 bit，簇头的数据压缩率为 0.7，即有 2 000 bit 数据发送到簇头，经簇头处理之后就将1400 bit 传给簇头中继。数据融合消耗的能量为 5 J/bit/message，传输的能量为 50 nJ/bit。

3.2 LEACH 协议与LEACH-EN 仿真结果对比

图2 的结果是因为改进后的LEACH-EN 才用了多跳于单挑相结合的通信方式，使得簇头有节点较为有效地节约了能量。另外分簇结构更合理，使得网络总的信息处理量要小，故而节约了能量。

图2 总能量消耗对比

图3 所示改进后的协议在提高网络生存时间上有所提高。这是因为合理的分簇能够有效地均衡网络能量，使得整个网络生命周期得以延长。

图3 网络生存时间对比