基于OMNET++的leach協(xié)議的仿真與改進(jìn)

高 宏，劉開華，潘 勇

（天津大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，天津 300072）

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)在各個行業(yè)領(lǐng)域都有著較快的發(fā)展。這一技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù)，為人們提供了一種全新的獲取信息，處理信息的途徑。例如：醫(yī)療監(jiān)測，環(huán)境檢測，工業(yè)控制等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它的特點是傳感節(jié)點數(shù)目多，易失效，通信能力有限，電源能量有限。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點分析得出，降低能耗和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。在目前的研究中發(fā)現(xiàn)，采用分簇的路由算法是高效降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命的有效途徑之一。文中對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議LEACH（低功耗自適應(yīng)分簇協(xié)議）進(jìn)行了深入的研究，本文針對LEACH協(xié)議中的簇頭選擇算法提出了改進(jìn)。

1 LEACH協(xié)議

LEACH算法[2]是一種以循環(huán)的方式隨及選擇簇首節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個節(jié)點上，從而降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。LEACH協(xié)議定義了“輪”的概念，每一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個階段，即簇頭的選擇階段和傳輸數(shù)據(jù)階段[3]。LEACH協(xié)議以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的.在LEACH協(xié)議中，同普通成員節(jié)點相比，簇首節(jié)點的負(fù)載較大，能量消耗較快.為平衡網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的能耗、避免簇首節(jié)點過早死亡，采用 TDMA時分復(fù)用方式（Time Division Multiple Access，TDMA）周期按輪（round）選舉簇首的原則，每一輪的執(zhí)行可以分為兩個階段，即簇的初始化階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段.簇的初始化階段主要是選舉簇頭節(jié)點，其他節(jié)點決定加入哪個簇，然后建立 TDMA列表.為了減少頻繁的重建簇造成的能量消耗，簇建立完成后，會進(jìn)入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段，需要通信的節(jié)點會繼續(xù)提供收發(fā)數(shù)據(jù)的服務(wù)，不需要的節(jié)點就會進(jìn)入休眠狀態(tài)，以便節(jié)省能量.簇頭選舉的閾值公式為：

在簇的建立過程中，每個節(jié)點隨機(jī)產(chǎn)生一個（0，1）之間的隨機(jī)數(shù)，如果產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)小于閾值T（n），該節(jié)點將成為簇頭節(jié)點。其中r代表當(dāng)前循環(huán)到第r輪，P代表預(yù)期簇頭節(jié)點的個數(shù)與該輪總的節(jié)點數(shù)比值，T（n）代表當(dāng)前的第n個節(jié)點的閾值，G是在最后的1/P輪中未成為簇頭節(jié)點的節(jié)點集。

LEACH協(xié)議的優(yōu)點有，它采用了隨機(jī)選舉簇首的方式避免了簇首過分消耗能量，采用數(shù)據(jù)融合則有效的減少了通信量，因此比一般的靜態(tài)算法網(wǎng)絡(luò)周期延長了。但是LEACH協(xié)議存在的問題有：1）當(dāng)一個節(jié)點被選為簇首時，能負(fù)擔(dān)的節(jié)點是有限的[4]，不能因為單純的因為距離近就加入，這樣有可能造成簇首節(jié)點的高能耗，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)提前死亡。2）由于每輪被分成初始化和穩(wěn)定兩個階段，而初始化耗能較大，應(yīng)盡量延長穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的階段。3）簇頭選擇的個數(shù)也應(yīng)該是動態(tài)的，并且能量低于一定值時是不可以被選為簇首的[5]。

2 改進(jìn)的LEACH協(xié)議

針對上述存在的問題，本文對簇頭選擇算法做出了改進(jìn)。首先，以基站為圓心，以r為半徑，在將節(jié)點網(wǎng)絡(luò)劃分成N個小網(wǎng)絡(luò)。設(shè)網(wǎng)絡(luò)的長和寬均為L。其中N=L/r。如圖1所示。

圖1 節(jié)點分布圖Fig.1 Distribution of all notes

當(dāng)區(qū)域劃分完成后，基站會用廣播的形式通知各個節(jié)點所處在哪個小網(wǎng)絡(luò)中。我們可以利用正態(tài)分布函數(shù)來計算哪個區(qū)域的節(jié)點最適合當(dāng)簇頭。如式:

其中，Pi是代表在某一個區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域節(jié)點當(dāng)選簇頭的概率。概率越高被選成為簇頭的幾率就越大。

但由于要考慮到簇頭能量低于一定值時是不可以選為簇頭的，所以簇頭的選擇方法上加入了剩余能量和初始能量的比值[6]。由此得出閾值T（n）的方法改進(jìn)：

上式中，Ec代表當(dāng)前節(jié)點剩余能量，En代表當(dāng)前節(jié)點的初始能量。

3 仿真分析

本文采用OMNET++做為仿真工具進(jìn)行實驗。對原始的LEACH和改進(jìn)后的LEACH做了對比實驗。實驗中所采用的物理模型與上文中提及的LEACH物理模型相同。

本仿真實驗采用的參數(shù)如表1所示。

表1 實驗仿真參數(shù)Tab.1 Parameters of the simulation

在OMNET++下所模擬的網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 節(jié)點第一次選完簇頭并傳輸?shù)倪^程Fig.2 Process of the notes transmission

本實驗中節(jié)點數(shù)目為100個，隨機(jī)分布在（200，200）的區(qū)域內(nèi)。本實驗采用了兩種不同基站的位置，來衡量原LEACH和改進(jìn)LEACH的性能好壞。

基站在（0，0）下，對兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)進(jìn)行了實驗，如圖3和圖4所示。

圖3 原LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Network of the original Leach

通過這兩個仿真圖的對比，可以得出的結(jié)論：經(jīng)過改進(jìn)的LEACH協(xié)議，比原LEACH協(xié)議延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，并且可以清楚的看出改進(jìn)的協(xié)議中出現(xiàn)死亡節(jié)點的輪數(shù)要多一些，并且半死亡節(jié)點的時間也要長一些。在基站位置較偏的情況下，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的LEACH協(xié)議對延長網(wǎng)絡(luò)壽命有一定的作用。

圖4 改進(jìn)的LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Network of the improve Leach

基站在（100，100）下，對兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)運行輪數(shù)進(jìn)行了實驗，如圖5和圖6所示。

圖5 原LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Network of the original

圖6 改進(jìn)的LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型Fig.6 Network of the improve Leach

通過5，6兩個仿真圖的對比，得出的結(jié)論：在基站的位置位于正中間時，對網(wǎng)絡(luò)整體壽命都有延長的作用，但相比較來看，改進(jìn)的LEACH協(xié)議，節(jié)點死亡的時間要慢一些，這可以充分的進(jìn)行傳輸信息。經(jīng)過改進(jìn)的LEACH[7-8]協(xié)議節(jié)點死亡率明顯下降，網(wǎng)絡(luò)衰減不明顯，網(wǎng)絡(luò)壽命明顯延長。

通過3和5，4和6的仿真圖對比，得出的結(jié)論是，基站的位置也決定了網(wǎng)絡(luò)的衰減情況，基站離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點近時，節(jié)點衰亡率較慢，網(wǎng)絡(luò)周期會有所延長。相反，基站遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，節(jié)點衰亡率較快，網(wǎng)絡(luò)周期較短。

4 結(jié)束語

上述仿真結(jié)果會存在一定的隨機(jī)性，但隨機(jī)性不會對本實驗結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，故可以得出，進(jìn)過改進(jìn)的簇頭協(xié)議比原LEACH協(xié)議能更好的利用網(wǎng)絡(luò)的資源，較大程度的提高了能量的利用率，增加了無線網(wǎng)絡(luò)運行的時間。

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