无线传感网路由协议

摘要：LEACH协议是无线传感器网络的一种典型层次型拓扑控制算法，许多层次型拓扑控制算法都是基于 LEACH进行研究和改进的。研究了LEACH协议的工作原理，对其优缺点进行了分析，介绍了LEACH协议改进的分类。使用 MATLAB对其节点分布、存活节点数量、簇头数量及能量消耗进行了仿真实验及分析说明。

关键词：无线传感网;路由协议;分簇;LEACH协议

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）31-0062-03

1 引言

无线传感器网络（WSN）被认为是对我们的日常生活产生巨大影响的基础技术之一。无线传感器网络在许多工业、商业和家庭应用中发挥着重要作用，这些应用涉及资产跟踪系统、控制和监控建筑物的设备（照明、通风、安全系统、消防系统）、地球运动检测、森林野生动物监测、安全系统、栖息地监测、环境监测、车辆跟踪、医疗应用、水、电、热和煤气的自动抄表等[1-2]。

典型的WSN由许多传感器节点组成，这些传感器节点通常是小而便宜的设备。技术进步使得WSN的部署成为可能。WSN是一组通信节点，每个节点由四个实体组成：用于通过无线介质交换消息的无线电模块、一个或多个具有特定任务的传感器（例如动作检测或触点激活）、负责所需处理的微控制器以及提供整体能量的能源。节点可以配备一个或多个不同种类的传感器、嵌入式处理器、存储器、无线电发射机，并且通常用电池操作。WSN的节点通过建立多跳无线网络相互通信。每个网络节点负责检测期望的参数，一些网络节点还可以执行一些数据预处理或数据聚合。但由于电池供电的节点具有有限的能量储备，节点能量通常被认为是非常关键的资源，必须非常节约地使用。此外，因为节点可能部署在敌对或不切实际的环境中，更换或重新充电电池可能是不可能或不方便的。因此用于WSN的应用和协议应该考虑优化能量消耗以延长网络寿命。而网络层的数据的接收和传输是节点主要的能量消耗因素，因此路由协议在WSN网络优化中起着非常重要的作用。高能效路由协议可以减少传输的数据包数量，并优化数据中继的路径和节点选择[3]。

WSN主要有三种通信方案：直接通信、平面通信和分层通信。在直接通信中，每个服务节点直接与基站通信。使用平面通信方案的路由协议平等地对待所有节点，并且它们都参与路由。主要缺陷是靠近基站的节点比距离基站较远的节点更经常参与数据转发。为了提供有效的能量消耗，WSN使用簇，即分层通信方案。网络被划分为多个簇，在每个簇中选择一个节点作为簇头作为控制中心。一个簇内的节点与簇头通信，簇头直接与基站通信。第一个也是最常见的分层路由协议之一是LEACH（低能量自适应分簇层次结构）。

2 LEACH协议工作原理及特点

2.1 簇头选举及簇的形成

LEACH是最早为无线传感器网络提出的分层路由算法之一。根据以下规则，路由是两跳的。每个节点可以充当簇头或常规传感器节点。与sink节点的通信通过簇头节点（CH，Cluster Header）进行。每个时间间隔（轮次），节点以一定概率声明自己是CH。节点选择离他最近的信道。节点自己决定是否成为CH。节点产生一个随机数，且在0到1之间，此随机数若小于阈值T（n），则该节点成为CH。阈值定义如下：

[T（n）=p1-p*（rmod（1/p））otherwise0n∈G]                  （1）

其中，p是簇头占总节点数的百分比，G是最近1/p轮次中未成为簇头的节点集合，r是当前轮次数。传感器节点自己组织形成多个簇，每一轮重组都会重新生成发簇。只有簇头，即信道控制器可以与基站通信，节点使用信道控制器作为传递数据的路由。簇头收集、融合、压缩和传输接收到的数据，以此提高信道利用率及降低节点的能耗。

为了让其他的非簇头节点加入簇，因此节点成为簇头以后，需要将自己成为簇头以及位置坐标等信息广播给周围节点。其他非簇头节点接收到多个簇头的广播消息后，计算与簇头的距离，向距离最近的簇头发送请求加入的消息。簇头接收到请求消息后，采用TDMA复用方式，为各个簇成员分配时分复用的时隙，并将此时间表广播给所有簇成员。此时进入稳态传输数据阶段。在稳态阶段，节点在分配的时隙期间向接收器传输数据，否则它们保持休眠。

2.2 稳定的数据传输

簇形成后，节点采用TDMA的复用方式向簇头发送自己收集的数据。为了避免冲突，每个非簇头节点都在固定的时隙内发送数据。如果当前没有数据传输，则非簇头节点处于休眠模式，不接收和发送数据，减少能量消耗。但簇头需要随时接收节点的信息，所以簇头节点不能休眠，必须始终维持在活跃状态。当簇头节点收到簇内所有节点传输的数据后，要把数据发送给sink节点。由于接收和发送过程是能耗的主要来源，因此簇头需要去掉冗余数据，减少数据信息来降低能耗。当前轮次结束以后，为了均衡网络能耗，网络需要重启，开始新一轮的循环：重新选择簇头、节点加入簇以及数据稳定传输。

2.3 LEACH协议分析及改进策略

1）優点分析

LEACH采用网络中通用的分层的思想，将节点划分为多个不同大小的簇，每个簇由簇头统一管理，负责管理簇内节点以及收集节点发送的信息，并进行数据融合，减少能耗。

LEACH采用随机的方式选举簇头，且会周期性的重新选择簇头。采样这种策略可以使每个节点都有平等的机会当选簇头，且定期轮换，不会因某一个节点长时间担任簇头而耗费过多能量而死亡。因此这种将数据传输的任务平均分配的思想可以延长网络的生存时间。

2）缺点及改进

LEACH协议虽然简单，但其假设所有节点具有相同的能力和相同的剩余能量水平，这一点是不符合实际的。实际网络由于每个节点在网络中的位置不同，传输数据不同，因此能量损耗不同，能量消耗大的节点容易导致电池快速耗尽。LEACH协议可以从以下几个方面进行，以增加无线传感网的生存时间：（1）簇头选择;（2）多跳数据传输;（3）异构。支持节点间的异构性;（4）基于链。专注于节点间链的构建;（5）其他：移动性、安全性、备件管理、特定应用、群集半径固定。

目前LEACH协议主要的改进如下：（1）两跳路由。一些簇头可能离基站很远，因此传输可能会消耗大量能量。而簇头的数量是预定义的，固定的，选定的数量取决于节点分布。实际形成的簇头数量可能不够，并且簇的形成可能不是最佳的。所以可以动态调整簇头的数量以适应网络的变化。同时可以添加多跳传输，将原来的LEACH改为多跳协议。多跳版本的设计通常基于两个假设之一：降低功耗，减少流量或混合。（2）公式（1）中定义的阈值T（n）在选择簇头时没有考虑节点的剩余能量水平，都按相同的阈值选择，这是不合适的。在网络新建时，每个节点能量都相同，可以采用相同的阈值选取簇头。在每一轮的数据传输中，所有节点都参与网络的数据传输，每个节点消耗的能量不同，有些节点可能已经死亡，有的节点可能能量很低，不能参与簇头选择。因此在整个网络生存初期和后期，网络中节点的能量情况可能差异很大，因此可以采用根据节点剩余能量的多少来进行簇头选择，而不是按固定的阈值采用随机选择方式[5-6]。

3 仿真及结果分析

假设所有节点都是相同的、静态的，并且具有相同的初始能量，且能量有限。节点是静止的，在各个方向上发送和接收信号的能量消耗相同。节点保持在传输范围内，都具有数据采集和转发功能。所有实现LEACH协议的节点都被配置为选择10%的节点作为簇头。

LEACH协议用MATLAB软件进行仿真分析，在100*100的区域内部署100个传感器节点，基站节点在方形区域的四个顶点（0，0）、（0，100）、（100，0）、（100，100）。假设簇头节点占全部节点的百分比p=0.1，节点初始能量E0=1J，收发电路损耗50E-9J，数据融合损耗1.3E-16J，控制信息大小25B，数据信息大小4000B。

当最大循环轮数RMAX分别取500、800、1000时，仿真结果如图1-图4所示。图1中，绿色*表示普通节点，红色+表示死亡节点，黑色五角星表示簇头。

（a）RMAX=500

（b）RMAX=800

（c）RMAX=1000

由图1可知，当RMAX=500时，死亡节点占极少数，随着RMAX逐渐增大，死亡节点数不断增多，当RMAX=1000时，绝大多数节点为死亡节点，网络已经不能正常工作。由图2-图3可知，当RMAX逐渐增大，存活节点数和当选为簇头的节点数呈较为快速的降趋势，与簇头占比为恒定值有关。由图4可知，当没有死亡节点或死亡节点较少时，网络剩余能量和RMAX的取值呈线性下降关系，当死亡节点逐渐增加，网络剩余能量的下降速度变缓，这是由于存活节点数量减少，则相应的能耗也减少的更慢。

4 总结

在讨论无线传感器网络分簇路由算法时，簇头选择和能量消耗是最重要的因素。本文详细讨论了LEACH协议的工作原理，并介绍了LEACH协议改进的分类。并对LEACH协议进行了仿真，从节点分布、存活节点数量、簇头数量、网络剩余能量进行了分析。未来的工作将研究如何克服LEACH协议的缺点，提高无线传感网的生存时间及传输效率。

参考文献：

[1] Kazi Chandrima Rahman. A Survey On Sensor Network[J].JCIT，2010：76-87.

[2] Akkaya K，Younis M.A survey on routing protocols for wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2005，3（3）：325-349.

[3] 隋春江.无线传感器网络路由分簇算法的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2019.

[4] 刘明，龚海刚，毛莺池，等.高效节能的传感器网络数据收集和聚合协议[J].软件学报，2005，16（12）：2106-2116.

[5] 李亚男，徐夫田，陈金鑫.基于LEACH的WSNs分簇优化策略[J].傳感技术学报，2014，27（5）：670-674.

[6] 李兰英，刘昌东.一种无线传感器网络路由协议LEACH的改进算法[J].哈尔滨理工大学学报，2015，20（2）：75-79.

【通联编辑：代影】

收稿日期：2021-03-20

作者简介：唐泉（1981—），女，四川南充人，讲师，硕士，主要研究方向为无线传感网、智能网络。