针对户外应用的LEACH路由改进分簇区域算法

王改云 焦傲 陆家卓

摘  要： 针对现今无线传感器网络在户外应用的特点，考虑到现有的LEACH算法节点死亡较快，影响网络结构和寿命的缺点，该文在LEACH基础上对JC?LEACH算法进行了改进，提出适用于大范围环境下的SR?LEACH算法。该算法将监测区域按负荷比例分成区域的形式，再根据距离和能量关系优化选举每个区域簇头，每个区域中的簇头以多跳形式将数据传输给基站。通过Matlab仿真结果表明，改进算法在抑制节点首轮死亡数与降低节点的平均剩余能量上有明显的改进。相比LEACH与JC?LEACH算法，改进算法适用范围较大，并优化了网络的寿命与稳定性，拓展了路由算法的应用范围。

关键词： 分簇区域算法;  LEACH; 无线传感器网络; 区域划分; 分簇优化; 数据传输

中图分类号： TN915?34                            文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）22?0098?04

Abstract： In allusion to the characteristics of wireless sensor network in the outdoor application， and the defects that the network structure and lifetime are influenced due to the reason that the existing LEACH （low energy adaptive clustering hierarchy） algorithm nodes die faster， the JC?LEACH algorithm is improved based on LEACH， and SR?LEACH algorithm suitable for a large?scale environment is proposed. In the SR?LEACH algorithm， the monitoring area is divided into regions according to the load proportion， the cluster heads in each region is optimized and selected according to the distance and energy relationship， and the cluster heads in each region can transmit data to the base station in the form of multi?hop. The simulation results with Matlab show that the improved algorithm has obvious improvement in restraining the number of first?round deaths and reducing the average residual energy of nodes. The improved algorithm has a larger scope of application in comparison with the LEACH and JC?LEACH algorithms， optimizes the network lifetime and stability， and expands the application scope of routing algorithms.

Keywords： clustering area algorithm; LEACH; wireless sensor network; region division; clustering optimization; data transmission

0  引  言

无线传感器网络中路由节点多被要求定位在环境较恶劣的户外，这要求路由节点必须具有足够的稳定性来完成定位、数据收集及融合等工作。WSN路由算法可分为平面和层次算法，分层路由算法中LEACH于2002年首次被提出。2016年Vishal等考虑到节点组成的网络能量不足、内存不足的问题，对由LEACH协议发展出的多种路由协议进行了评估，并扩展到现有其他的路由协议中[1]。同年，Amirthalingam K提出一种改进的LEACH算法[2]，算法根据节点距离和剩余的能量为指标参数控制选择簇头的概率函数，加强了无线传感器网络的扩展性和生存周期。2018年王改云提出JC?LEACH[3]算法，该算法针对家居环境下的特性，对传统的LEACH算法进行改进，将传统算法根据居室的特点进行分区。实验结果表明，相比较传统算法，JC?LEACH算法降低了网络的功耗，提升了家居环境下的适用性。

对于不同应用环境下的无线传感器网络，传统的路由算法无法满足应用要求。本文在LEACH算法基础上，根据室外环境的具体应用提出SR?LEACH算法，采用数个区域中的簇头以多跳形式将数据传输给基站，实现降低节点能量消耗，延长节点寿命的作用，以满足不同环境下的应用。

1  LEACH和JC?LEACH算法

1.1  LEACH算法

LEACH是2002年提出的第一种WSN分层路由算法[4]。由于节点处于同级状态，会导致距离基站较远的节点在传输过程中耗能较多。而LEACH路由协议对节点进行簇头选举，使整个网络化整为零，平衡了节点的功耗，延长了WSN节点的寿命[5]。

LEACH协议在每一轮开始的时候，先对簇头节点进行选举，之后进行稳定通信。选举过程为：

1） 在每一轮开始的时候，选取[0，1]之间一个随机数，分配给节点。

2） 在随机数之间设置阈值函数。

式中：[p=bN]，表示簇头占所有节点的比例;[N]表示整个网络中所有节点的数量;[b]表示网络中簇头节点的数量;[r]是当前正在运行的轮数;[G]是[1p]轮后尚未转换为簇头节点的集合。

3） 对步骤1中选取的随机数与阈值[Tn]的值进行对比，如果阈值大于选取数的值，则其成为本轮通信的簇头，并确定簇头和簇的区域面积。

数据通信的稳定阶段：

1） 簇头为簇头区域中的节点建立通信调度。在稳定传输节点之后，节点开始待机并进入休眠状态。最终重新进入簇头选举的阶段。

2） 簇头节点将接收到普通节点的信息进行融合发送给基站（网关）节点。稳定通信阶段大于簇头选举阶段，保障整个网络的生存周期与稳定。

1.2  JC?LEACH算法

作为基础的分层路由算法，LEACH在不同环境下的适用性有限。针对特定的应用场景，可以根据网络需求对LEACH算法进行优化改进。JC?LEACH[3]路由算法针对家居环境的特点，对传统的LEACH协议进行改进，并根据居室的特点进行分区，使得其更适用于现实应用环境，其通过对节点通信范围与能耗均衡的关系对分区内簇头的选取加以限制，达到降低功耗的目的[6]。图1为JC?LEACH簇头数据传输示意图。

1.3  LEACH与JC?LEACH算法在户外环境应用中的局限性

节点能耗与寿命问题是制约无线传感器技术发展的要素。由图1可知，JC?LEACH算法中簇头以单跳的形式进行数据传输，距离基站较远的簇头需要消耗簇头极多的能量传输数据，很可能造成距离基站较远的路由节点过早死亡，影响网络结构的稳定性，造成数据传输错误，延时较大。不能满足多环境实际应用中的大范围、低能耗、长时效的要求。

2  SR?LEACH算法

现今在户外环境监测等其他应用场所需要大范围、低能耗的无线传感器网络来达到定位和数据的大量传输，而小范围的JC?LEACH算法无法满足需求，所以在JC?LEACH基础上提出一种簇头优化的LEACH路由分簇区域改进的算法，即SR?LEACH算法，使得其适用于更大范围的无线传感器网络。

2.1  簇群的建立及首轮簇头的选举

针对户外环境的WSN，有限的区域划分方式无法满足实际需要，根据负荷情况与簇头等级对网络进行区域划分，现将WSN网络划分为16个区域。其中每个区域代表一个分簇区域。根据基站的位置从远及近设置簇头级别，区域1～4的簇头作为A级，区域5～8的簇头作为B级，依次类推。

2.2  其余轮簇头选举和簇头间的通信

首轮簇头选举和信息数据的通信后，节点内剩余能量不等，基站通过比较每个区域内节点反馈回的能量信息确定此轮每个成簇区域的簇头节点，数据通信模式和首轮一样，一直循环到目标轮为止。

2.3  结果与分析

2.3.1  仿真實验

实验在Matlab 2016a上进行仿真模拟，针对户外环境，仿真模拟在室外基站处于整个网络边缘的情况，基站位置坐标（250，0），[n=300]个路由节点随机分布在500 m×500 m的监测范围内划分的16个域内。然后对三种算法的数据进行对比分析。图4是路由节点和基站的分布图，其中，星号代表基站位置。实验参数如表1所示。

2.3.2  结果分析

运用Matlab仿真软件对LEACH，JC?LEACH和SR?LEACH算法的节点分布和数据传输路径进行仿真，实验得到各个算法的节点分布图和每轮簇头的数据传输路径图。图5为三种算法中[p]为0.05时的节点分布和簇头传输数据路径。

3  结  语

在物联网飞速发展的时代，作为WSN关键技术之一的路由算法的改进至关重要。现有的LEACH算法并不能被广泛的应用，且容易造成节点快速死亡，影响网络数据传输。本文在LEACH算法的基础上，根据JC?LEACH算法提出一种适用于更加恶劣环境的SR?LEACH算法。通过Matlab仿真实验对三种算法结果对比分析，表明改进算法的首个节点死亡轮数得到了优化，节点的平均剩余能量较比较算法有所提升，可以有效地节省节点能耗，增加节点生存时间，优化了整个网络的寿命与稳定性。

参考文献

[1] ARORA Vishal Kumar， SHARMA Vishal， SACHDEVA Monika. A survey on LEACH and other′s routing protocols in wireless sensor network [J]. Optik?International journal for light and electron optics， 2016， 127（16）：  6590?6600.

[2] AMIRTHALINGAM K， ANURATHA. Improved LEACH： A modified LEACH for wireless sensor network [C]// 2016 IEEE International Conference on Advances in Computer Appli?cations. Coimbatore： IEEE， 2016： 51?65.

[3] 王改云，胡方舟.针对智能家居应用中的LEACH协议改进[J].现代电子技术，2018，41（17）：11?14.

[4] 常铁原，刘伟娜，张炎，等.基于簇头距离和能量的优化LEACH协议[J].河北大学学报（自然科学版），2019，39（2）：194?200.

[5] SIBAHEE M A A， MASOUD M Z， HUSSIEN Z A. LEACH?T： LEACH clustering protocol based on three layers [C]// International Conference on Network & Information Systems for Computers. Wuhan： IEEE， 2017： 111?120.

[6] EMAD A， ION M. New Energy efficient multi?hop routing techniques for wireless sensor networks： static and dynamic techniques [J]. Sensors， 2018， 18（6）： 1863?1865.

[7] 潘继强，冯永政.改进LEACH的传感器网络分簇路由算法[J].吉林大学学报（理学版），2018，56（6）：1476?1482.

[8] HUANG Wenwei， LING Yun， ZHOU Weilong. An improved leach routing algorithm for wireless sensor network [J]. International journal of wireless information networks， 2018， 25（3）： 323?331.

[9] 隋春江，李晖.基于遗传优化的神经网络分簇路由算法[J].通信技术，2019，52（1）：101?105.

[10] 王浩.无线传感器网络LEACH算法的改进[J].数字技术与应用，2019，37（1）：137?139.