无线传感器网络LEACH协议的研究与改进

郭宏岩

（沈阳职业技术学院，沈阳 110045）

0 引言

无线传感器网络具有网络灵活性强、网络规模可变等优点，广泛应用于军事、工业等领域。无线传感器网络的基本网络路由协议可以分为平面路由协议和层次路由协议。由于平面路由协议需要维护大的路由表和占用更多的存储空间，因此它们不适合于大规模网络，因此分层路由协议试图通过将节点安排在簇或树结构中，使一些节点在很近的距离内传输到一个节点，并将其用于让这些节点将此信息转发到基站。LEACH是一种比较成熟的具有代表性的经典分层路由算法。其他分层路由协议如pegasis、teen等在LEACH上得到了改进，因此LEACH更具代表性。本文主要研究LEACH算法，在降低功耗的基础上进行了改进[1-2]。

1 LEACH协议

1.1 LEACH概述

LEACH协议是麻省理工学院Heinzelman等人为无线传感器网络提出的一种低功耗自适应分簇路由协议。LEACH协议的操作是轮询进行的，每轮包含两个阶段，即集群的建立和稳定运行[3]。

1.2 LEACH的缺点

LEACH协议是一种基于簇的路由协议，它采用随机的、自组织的自适应聚类方法和局部控制进行数据传输。同时采用低功耗MAC协议及相关信息处理技术，达到节能的目的。同时，它也有一些缺点：一是LEACH协议每轮随机选择簇头。因此，一些节点由于多次被选为簇头而导致能量消耗过快。本文改进后的协议使得剩余能量较大的节点有更多的机会作为簇头，避免了整个网络过早死亡。二是LEACH协议中每轮的簇头数目是不确定的，因此簇头数目可能不是最优的。随机数只能取相似簇的个数在最佳且期望的个数相等，但事实上每轮的簇个数和最优值都存在一定的偏差，导致LEACH协议性能下降。

2 改进方案I-LEACH

2.1 聚类过程

针对上述不足，本文提出了一种改进的LEACH协议I-LEACH（改进LEACH）算法，主要是对其集群的进程进行优化。选择一个簇头节点考虑能量状态，即所有传感器节点必须监测能量的变化，如果能量低于平均能量水平，则降低其成为第一个簇的概率。同时优化簇的形成，使初始簇从基站进入簇头较高，降低簇头的能耗。

2.2 初始簇头

在我们的LEACH阈值t（n）中，通过添加能量因子来改进，改进的t（n）重置为等式1：

2.3 簇头的形成

在选择簇头时，除了使用LEACH的不同阈值外，还选择节点作为初始簇头，此时初始簇开始以半径d0广播自己的簇头开始正式竞争，信号传输距离越短，能量越小消费。这里使用了自由空间信道模型和多径衰落信道模型无线信道模型。如果发射机之间的接收距离小于，则使用自由空间模型，该模型从能量损耗中发送数据并与平方成正比；否则，使用多径衰落信道模型即双径模型，此时发射机发送数据的能量损耗与距离成正比，与四次方成正比。为了使这里的能量消耗最小，所以取r值为半径d0，其中为功率放大器的自由空间损耗，为多径衰落下的功率放大器损耗。

当节点接收到广播时，如果选择了初始簇头，则要比较权重w（w是基站节点之间的距离）以选择最小w作为簇头节点的节点数。其他初始节点变为非簇头节点。这样减少了簇头到基站的距离，节约了能源。确定簇头后，簇头节点开始在簇内广播其形式状态。非簇首节点的集群开始发送加入消息，当簇首接收到所有添加的消息时，根据成员节点的个数，以TDMA方式为每个非簇成员分配一个时隙，并用广播方式发送给所有簇内节点，这将确保集群内的每个节点在相应的数据传输时，在其他时间进入冬眠状态，减少能量消耗。节点知道数据的时隙后开始传输数据，而簇头的能量则需要一直开启。

3 仿真分析

3.1 仿真参数设置

仿真参数设置开始时，利用100个节点随机分布在（100，100）空间中，基站位置（50，175）中所有节点都是静态的，带宽设置为1Mb/s，数据长度为500字节，每个节点的初始功率为2J。

3.2 仿真结果

仿真研究主要结果为：一是在250s后，I-LEACH路由协议比LEACH路由协议具有更低的能耗，同具有更好的整体能量利用率。二是LEACH协议在400s时出现第一个节点死亡，而I-LEACH协议在420s时出现第一个节点死亡，改进后的协议节省了能量，缩短了节点的死亡时间。因此延长了整个网络的生命周期。

4 结束语

本文改进了传统的LEACH算法，优化簇头节点，减少簇头节点的多余能耗。通过仿真，改进后的算法在一定程度上提高了网络节点的生存率，延长了网络的生存期，减少了网络的能源消耗。