無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的分析

劉長(zhǎng)江 梁京章 侯媛元

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心，廣西 南寧 530004；

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的分析

劉長(zhǎng)江1梁京章2侯媛元1

（1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心，廣西 南寧 530004；

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中降低節(jié)點(diǎn)能耗，延遲網(wǎng)絡(luò)生命周期是其研究的重點(diǎn)。現(xiàn)有分層路由協(xié)議中存在著簇首節(jié)點(diǎn)能耗分布不均，簇首與節(jié)點(diǎn)、基站間距離分布不均等問題；基于LEACH協(xié)議的思想提出一種改進(jìn)的分層路由協(xié)議(M-LEACH)，它考慮了簇首當(dāng)前剩余能耗的因素，仿真結(jié)果表明能有效的延遲網(wǎng)絡(luò)生命周期。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；簇首選擇；LEACH協(xié)議

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前非常活躍的一個(gè)領(lǐng)域。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收，處理和傳輸數(shù)據(jù)，而節(jié)點(diǎn)的能量有限且不易更換嵌入式的電池。因此如何減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延遲網(wǎng)絡(luò)壽命，是設(shè)計(jì)無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要目標(biāo)。

當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議，但平面路由協(xié)議由于其自身的局限性并不能很好的適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，所以分層路由協(xié)議是目前研究的普遍方向。LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中較早提出的分簇路由協(xié)議，他根據(jù)先驗(yàn)的最佳概率周期性性地選出簇首，創(chuàng)建能源負(fù)載動(dòng)態(tài)分布的簇群，每個(gè)節(jié)點(diǎn)往往隨著時(shí)間推移消耗基本相同的能量，這樣避免了簇首節(jié)點(diǎn)因能量消耗盡而過早進(jìn)入死亡狀態(tài)，從而達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命的目的。

本文針對(duì)LEACH協(xié)議做主要研究，提出一種改進(jìn)的LEACH協(xié)議，通過改進(jìn)其簇首的選擇閥值函數(shù)，在節(jié)點(diǎn)組成簇群時(shí)考慮被選簇首節(jié)點(diǎn)剩余能量和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)及距基站的距離。仿真結(jié)果顯示，新的簇首選擇函數(shù)能夠很好的平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗分布，延遲網(wǎng)絡(luò)的壽命。

2 相關(guān)研究

LEACH協(xié)議是MIT學(xué)者Heinzelman等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低能耗自適應(yīng)聚類路由算法，這種成簇思想貫穿于其后發(fā)展的很多分簇路由協(xié)議中，如TEEN(threshold sensitive energy efficient sensor network protocol)，HEED(hybrid energy-efficient distributed clustering)等。LEACH協(xié)議節(jié)能的基本思想是通過等概率周期性的隨機(jī)選擇簇首，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載均衡地分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗。LEACH協(xié)議使用“輪(Round)”的概念，每一輪包括建立階段和穩(wěn)定階段。建立階段是簇的形成和路由數(shù)的建立，穩(wěn)定階段是數(shù)據(jù)傳輸階。

在建立階段，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地生成一個(gè)0至1之間的隨機(jī)數(shù)，如果生成的隨機(jī)數(shù)小于閥值T(n)，則該節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首。閥值T(n)的計(jì)算公式為：

其中p為簇首節(jié)點(diǎn)占所有節(jié)點(diǎn)的百分比，即節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率；r為當(dāng)前循環(huán)輪數(shù)，r mod(1／p)代表這一輪循環(huán)中當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，G是在這一輪循環(huán)中未當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)集合。

在這里需要強(qiáng)調(diào)的是：T(n)的算法是基于兩個(gè)前提假設(shè)才能達(dá)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均消耗能量的預(yù)期目標(biāo)：(1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量均等，(2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首期間消耗的能量均等。顯然假設(shè)(2)不符合現(xiàn)實(shí)。另外T(n)沒有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量這一關(guān)鍵因素，不可避免的浪費(fèi)一些本可節(jié)省的能量。

在穩(wěn)定階段，節(jié)點(diǎn)在收到簇首節(jié)點(diǎn)的廣播后，組成簇并且開始通信。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將所采集的數(shù)據(jù)信息，在給定的時(shí)間間隙內(nèi)傳送到簇首。穩(wěn)定階段持續(xù)一段時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入簇群的建立階段，進(jìn)入下一輪的簇首選出，不斷循環(huán)。

目前LEACH協(xié)議常用的節(jié)點(diǎn)通信能量模型如下：

圖1

在這里

其中，d為通信距離，d0為臨界通信距離，k為發(fā)送比特?cái)?shù)。Eelec為發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)處理單位比特消耗的能量，εfs，εamp為發(fā)射機(jī)發(fā)送單位比特距離消耗的能量。從上面來看，d也是影響節(jié)點(diǎn)能耗的因素，所以LEACH容易形成簇首與節(jié)點(diǎn)，簇首與基站間通信距離分布不均衡。

雖然如此，但LEACH協(xié)議依然是一個(gè)典型的分簇路由協(xié)議。LEACH-C(LEACH-centralized)和LEACH-F(LEACH-fixed)就是在其基礎(chǔ)上提出的兩種集中式簇首產(chǎn)生算法。

文獻(xiàn)[2]中LEACH-C根據(jù)全局信息挑選簇首，它要求只有能量高于網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量的節(jié)點(diǎn)才有可能成為簇首。為了評(píng)估網(wǎng)絡(luò)剩余能量的平均值和優(yōu)化簇首的選擇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要與基站直接通信來匯報(bào)自身的位置和能量信息?；靖鶕?jù)所有節(jié)點(diǎn)的報(bào)告計(jì)算平均能量，當(dāng)前能量低于平均能量的節(jié)點(diǎn)不能成為候選簇首。從剩余候選節(jié)點(diǎn)中選出合適數(shù)量和最優(yōu)地理位置的簇首，因此算法需要消耗較多的通信能量。

文獻(xiàn)[3]中LEACH-F簇的形成與LEACH-C一樣，在簇的形成階段將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)分為幾個(gè)固定的簇群，每個(gè)簇分配一個(gè)固定的成一個(gè)簇首列表，其作用是在每輪結(jié)束后，根據(jù)列表指示簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)輪流當(dāng)選簇首。當(dāng)簇群形成之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的簇的結(jié)構(gòu)就不再改變，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇首列表依次成為簇首。LEACH-F最大的優(yōu)點(diǎn)是無需每輪循環(huán)都構(gòu)造簇，減少了構(gòu)造簇的開銷。很明顯LEACH-F在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中并不適用，不能動(dòng)態(tài)處理節(jié)點(diǎn)的加入、失敗和移動(dòng)，而且還增加了簇間的信號(hào)干擾。

3 M-LEACH的基本思想

由于在LEACH中，簇首的選擇過程沒有考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量，這使得選出的簇頭不一定是最佳簇頭，一旦選擇能量剩余很少的簇首，必將浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)中本可節(jié)省的能量?？紤]到這個(gè)問題，提出調(diào)整簇首閥值T(n)的計(jì)算方法：

其中En_current表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余的能量，而En_max表示

節(jié)點(diǎn)的初始能量。通過改進(jìn)使得能量消耗較低的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率增大。該節(jié)點(diǎn)算法在LEACH基礎(chǔ)上能有效改善網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，使得簇頭的選取更為合理。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

利用MATLAB進(jìn)行仿真，并與LEACH作比較。假定網(wǎng)絡(luò)中100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在(x=100，y=100)的二維平面范圍內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)的初始能量相等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的E0=5J，基站的位置為(x=60，y=165)處。并且設(shè)定節(jié)點(diǎn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)需要消耗的能量為Eelec=50nJ/bit。

其中取εamp=0.0013pJ/(bit?m4)，εfs=10pJ/(bit·m2)。所有節(jié)點(diǎn)一旦放置就不能再移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)死亡發(fā)生在其剩余能量與初始能量比例為0.0l時(shí)。

在LEACH協(xié)議中，簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為總數(shù)量的5%，這個(gè)數(shù)值并不是最優(yōu)值。在分簇網(wǎng)絡(luò)中，簇首數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)等有一定關(guān)系。在節(jié)點(diǎn)服從均勻分布的情況下，最優(yōu)值

其中取N=100，M=100。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布如下：

圖2

圖3

圖4

經(jīng)過仿真，圖2顯示了M-LEACH和LEACH協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目的對(duì)比，可以看出隨著時(shí)間的推移，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目中M-LAECH優(yōu)于LEACH。這表明改進(jìn)的協(xié)議再加入了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量因素后可以使網(wǎng)絡(luò)的能耗負(fù)載很好的均衡，網(wǎng)絡(luò)中簇首的分布更加均勻。

圖3則展示了網(wǎng)絡(luò)中能量剩余情況，很明顯隨著隨著能量的逐漸消耗，M-LEACH中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)目明顯高于LEACH。這反映了新的協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總能耗降低，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

5 結(jié)束語

本文對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行了深入的分析，借鑒現(xiàn)有的思想，在LEACH不足處考慮的基礎(chǔ)上，將節(jié)點(diǎn)的初始能量及剩余能量考慮進(jìn)去，提出了新的M-LEACH協(xié)議，并建立仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明新的M-LEACH協(xié)議有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載，延遲了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

[1] Heinzelman W, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks. In Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences. Maui: IEEE Computer Society,2000, Vol.2:3005-3014.

[2] Jichuan Zhao, Ahmet T. Erdogan and Tughrul Arslan. A Novel Application Specific Network Protocol for Wireless Sensor Networks. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, May 2005, Vol. 6:5894-5897.

[3] Heinzelman W.An application-specific protocol architectures for wireless networks[D].Boston: Massachusetts Institute of Technology,2002.

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[5] 魏偉,史浩山,等.傳感器網(wǎng)絡(luò)分層多路徑路由協(xié)議[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,20(6):1353-1361.

The analysis of LEACH protocol in wireless sensor networks

In the research of wireless sensor networks, cluster-based routing protocols and the delaying of the network life cycle is the focus of the research. There is uneven distribution of the cluster head and node energy consumption in the existing hierarchical routing protocol, the cluster head and node, the distance between base stations uneven distribution and other issues; Based on the idea of LEACH protocol, an improved hierarchical routing protocol (M-LEACH) it takes into account the cluster head of the current residual energy consumption factors,simulation results show that the effective delay of the network lifecycle.

wireless sensor networks; cluster head selection; LEACH protocol

TP393

A

1008-1151(2012)06-0066-03

2012-04-04

劉長(zhǎng)江，廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院研究生 。