一種LEACH路由協(xié)議算法的改進(jìn)與分析*

白永祥

(渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

一種LEACH路由協(xié)議算法的改進(jìn)與分析*

白永祥

(渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

基于傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議，提出了一種改進(jìn)協(xié)議LEACH-CND。對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇頭選舉進(jìn)行了優(yōu)化，主要依據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量選舉簇頭，并求出網(wǎng)絡(luò)的最佳簇頭數(shù)。其次，基于橢圓曲線密碼體制的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輕量級(jí)身份密鑰加密算法進(jìn)行了探討。最后，在MATLAB環(huán)境下對(duì)優(yōu)化后的協(xié)議進(jìn)行了仿真，證明了其可行性。達(dá)到了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分層路由協(xié)議；LEACH協(xié)議算法；橢圓曲線密碼體制

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在受監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量低成本、低功耗、具有感知、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)方式形成的一種網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作的采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息[1]。目前，WSN應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，大量的研究成果主要集中在針對(duì)特定感知和監(jiān)測(cè)應(yīng)用等方面。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能量有限，且大多數(shù)環(huán)境下更換電池根本不可能，所以如何降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗非常關(guān)鍵。研究證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信所需能耗占總電源能量的大多數(shù)，所以設(shè)計(jì)具有低能耗的WSN協(xié)議算法成了研究焦點(diǎn)。文章綜述了WSN中常見的幾種路由協(xié)議；詳細(xì)分析了LEACH路由協(xié)議算法及其優(yōu)缺點(diǎn)；基于文獻(xiàn)[2]，對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，并在MATLAB環(huán)境下對(duì)改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行了仿真；探討了基于ECC的WSN數(shù)據(jù)傳輸加密解密算法。

1 相關(guān)研究及分析

對(duì)于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員提出了各種路由協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)可將路由協(xié)議分為平面路由和分層結(jié)構(gòu)路由兩大類[3]， LEACH協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)屬于分層結(jié)構(gòu)路由協(xié)議。目前，常見的WSN路由協(xié)議有泛洪協(xié)議、SPIN、DD、SAR、GEAR、LEACH等協(xié)議，這些協(xié)議算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。LEACH是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)層次型路由協(xié)議，多年來，基于它的改進(jìn)協(xié)議層出不窮。文獻(xiàn)[4-5]描述了一種基于LEACH的改進(jìn)型非均勻分簇協(xié)議，它根據(jù)節(jié)點(diǎn)到基站距離的遠(yuǎn)近，構(gòu)造出大小非均勻的簇，這種協(xié)議適合節(jié)點(diǎn)分布較均勻的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)則能量消耗更大，所以此協(xié)議的應(yīng)用范圍十分有限；文獻(xiàn)[6]中的LEACH-C協(xié)議根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量和地理位置進(jìn)行選舉簇頭，該算法雖然提高了簇的生成質(zhì)量，魯棒性較好，但節(jié)點(diǎn)周期的向基站發(fā)送信息，增加了網(wǎng)絡(luò)流量和時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性較差；文獻(xiàn)[7]提出的TEEN協(xié)議具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可以對(duì)突發(fā)事件產(chǎn)生快速反應(yīng)，但由于硬、軟閾值的設(shè)置，不適合持續(xù)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境；文獻(xiàn)[8]的LEACH-Z協(xié)議也是基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)，由基站根據(jù)能量高低對(duì)簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序并建立一個(gè)鏈表，然后選舉能量最高的節(jié)點(diǎn)為簇頭，減少了簇內(nèi)成員選舉簇頭的能量消耗，但這種方法加大了基站的管理任務(wù)；文獻(xiàn)[9]提出了LEACH-M協(xié)議，它引入了遺傳模擬退火算法來保證簇的均勻分布，在很大程度上提高了簇的生成質(zhì)量，同時(shí)還引入了多跳的路徑選擇算法，但也存在一些不足。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.1 LEACH協(xié)議算法描述

LEACH協(xié)議算法是由MIT的Chandrakasan等專家設(shè)計(jì)的一種低功耗自適應(yīng)集群分層路由算法。它首先將節(jié)點(diǎn)分成若干個(gè)簇，利用一定的算法選舉出各自的簇頭，由簇頭接收本簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)融合處理后發(fā)送給基站或者Sink節(jié)點(diǎn)。由于簇頭是隨機(jī)循環(huán)分配的，所以網(wǎng)絡(luò)能量損耗是平均分配的，可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。LEACH算法具有三個(gè)特征[2]：第一，本地節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)產(chǎn)生集群；第二，“簇頭”節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選舉；第三，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

LEACH協(xié)議整個(gè)過程需要以下兩個(gè)階段：形成階段和傳輸數(shù)據(jù)階段。

在形成階段，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能否在當(dāng)前輪成為簇頭，取決于兩個(gè)因素：一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)中事先假設(shè)成為簇頭的百分比，另一個(gè)是已擔(dān)任過簇頭的次數(shù)。在選舉前首先要設(shè)定一個(gè)閾值T(n)，節(jié)點(diǎn)在[0，1] 之間選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果小于閾值T(n)，那么就當(dāng)選為簇頭，計(jì)算公式如下[5]：

(1)

式中，n為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；p為簇頭節(jié)點(diǎn)的百分比；r為選舉輪數(shù)；G為在1/p輪中未充當(dāng)過簇頭的節(jié)點(diǎn)集。

當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)使用CSMA/MAC協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)廣播包，所有被當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)都發(fā)送同功率的廣播包，非簇頭節(jié)點(diǎn)的接收器接收來自簇頭的廣播信息。在實(shí)際應(yīng)用中，一些非簇頭節(jié)點(diǎn)可能會(huì)收到來自幾個(gè)不同簇頭的廣播信息，節(jié)點(diǎn)便根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，選擇加入信號(hào)最強(qiáng)的一個(gè)簇，并向該簇頭報(bào)告加入的消息，這個(gè)過程一般是通過CSMA/MAC協(xié)議完成的。當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)接收到簇內(nèi)成員發(fā)送的信息后，將根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量創(chuàng)建TDMA時(shí)刻表，并為簇內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配傳輸數(shù)據(jù)的工作時(shí)隙，以便用于發(fā)送感知數(shù)據(jù)。

簇形成后，將開始數(shù)據(jù)傳輸。簇頭節(jié)點(diǎn)收到來自成員的數(shù)據(jù)后將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和壓縮，然后再傳給基站，過一段時(shí)間后，下一輪循環(huán)重新開始，從復(fù)以上的工作過程。

1.2 LEACH算法分析

1.2.1 LEACH算法的優(yōu)點(diǎn)

LEACH是第一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層式路由協(xié)議，它是后來大部分層次式協(xié)議的基礎(chǔ)，如TEEN協(xié)議，PEGASIS協(xié)議等。LEACH協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用層次結(jié)構(gòu)，路由選擇和路由信息的存儲(chǔ)簡(jiǎn)單，對(duì)節(jié)點(diǎn)性能要求不高，適合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

(2)隨機(jī)選取簇頭，各節(jié)點(diǎn)機(jī)會(huì)均等，將能量負(fù)載均勻分布到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，有效避免了能量過損和單點(diǎn)故障問題；

(3)LEACH協(xié)議使用的技術(shù)具有很好的擴(kuò)展性，簇頭的輪循增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

1.2.2 LEACH算法的缺點(diǎn)

雖然LEACH協(xié)議通過隨機(jī)選擇簇頭的方法延長(zhǎng)了WSN的生命周期，一般可以達(dá)到10%～20%，但它仍然存在以下缺點(diǎn)：

(1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并通過簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸，同時(shí)簇頭又要與基站或Sink進(jìn)行通信，因此簇頭處于通信樞紐，簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗會(huì)很大。如果簇頭節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致簇內(nèi)數(shù)據(jù)不能有效傳輸，從而形成網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全，整體監(jiān)測(cè)性能降低；

(2)簇頭選舉時(shí)，各節(jié)點(diǎn)機(jī)會(huì)均等，沒有考慮節(jié)點(diǎn)之間的能量差異，造成某些能量很低的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)了簇頭，而不能完成整個(gè)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)高效傳送，如果能量耗盡，就成為死節(jié)點(diǎn)；

(3)簇頭隨機(jī)選舉法在數(shù)量和分布上往往呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，即簇頭個(gè)數(shù)偏離期望值和分布位置上不平均。如果簇頭個(gè)數(shù)很少，也就失去了分層的意義；如果簇頭個(gè)數(shù)多，又要消耗過多節(jié)點(diǎn)的能量。有時(shí)簇頭處于網(wǎng)絡(luò)邊緣，會(huì)造成與Sink通信距離增加，消耗能量較大。以上情況都使得網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡度降低，從而縮短WSN的壽命；

(4)最佳簇頭數(shù)的選取。簇頭個(gè)數(shù)過少，將導(dǎo)致各簇所覆蓋的面積過大，造成節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)的距離增大，節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)的能耗增加，還會(huì)增加簇頭處理數(shù)據(jù)的工作量，所有這些都不利于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。簇頭個(gè)數(shù)過多，簇頭消耗的能量比一般節(jié)點(diǎn)大，這樣過多的簇頭將會(huì)導(dǎo)致一輪中整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總能耗增大，且過多的簇頭也會(huì)降低數(shù)據(jù)的融合率，實(shí)踐證明每個(gè)WSN都存在一個(gè)最佳的簇?cái)?shù)。

2 改進(jìn)算法設(shè)計(jì)

通過以上對(duì)LEACH協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)分析，我們知道簇個(gè)數(shù)及其分布對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有密切的關(guān)系，在簇個(gè)數(shù)及其分布算法方面進(jìn)行優(yōu)化十分必要。

2.1 改進(jìn)方案

基于以上分析，提出一個(gè)基于簇頭數(shù)分布的LEACH協(xié)議改進(jìn)算法：LEACH-CND，基本設(shè)計(jì)思路如下：

(1)對(duì)于每一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，都存在一個(gè)最優(yōu)的簇頭個(gè)數(shù)，通過算法求出這個(gè)最優(yōu)個(gè)數(shù)值。并且還要保證簇頭輪換時(shí)間間隔達(dá)到一個(gè)合適的值，如果間隔時(shí)間過長(zhǎng)，不利于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，如果間隔時(shí)太短，網(wǎng)絡(luò)能耗會(huì)很大；

(2)在最優(yōu)簇頭數(shù)確定的前提下，選舉簇頭時(shí)必須考慮了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量。對(duì)每個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按照能量進(jìn)行排序，選舉剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)為簇頭，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間；

(3)設(shè)定一個(gè)最小的簇頭距離D，保證所選舉簇頭距離每個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離不能超過這個(gè)數(shù)值D，以便所選簇頭的分布比較合理，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的簇頭處于一個(gè)合理的分布范圍內(nèi)，完全合理的覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域；

(4)一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全性要求不高，但隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用，保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性非常重要，充分運(yùn)用ECC短密鑰、安全性高、占用內(nèi)存少等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)加密解密的算法[3]。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)過程

LEACH-CND算法分為兩個(gè)階段：簇建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，其中數(shù)據(jù)傳輸階段使用了ECC加密解密等安全技術(shù)。下面主要關(guān)于簇最優(yōu)個(gè)數(shù)、輪換時(shí)間間隔、簇頭選舉、數(shù)據(jù)傳輸安全性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 最佳簇頭數(shù)

假定在a×a監(jiān)測(cè)區(qū)域中，有N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，剛開始所有節(jié)點(diǎn)能量相同，并將網(wǎng)絡(luò)劃分成k個(gè)簇，現(xiàn)在要求出k的最優(yōu)值，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在某一輪通信中能耗最少。這里假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)到基站的通信遵守同一無線信號(hào)能耗衰減模型，即能耗與通信距離的平方成正比，這樣的假設(shè)不會(huì)影響研究結(jié)構(gòu)的合理性和有效性[10]。

簇頭發(fā)送單位信息所需要的能量：

(2)

簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送單位信息所需要的能量：

(3)

整個(gè)簇在一輪中所需要的能量：

(4)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在一輪中所需要的能量：

(5)

(6)

對(duì)上式求導(dǎo)，研究其函數(shù)特性，導(dǎo)數(shù)為0時(shí)，求得Etotal最小值為：

(7)

從上式可知，簇頭個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)a,N,LBS有關(guān)，所以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)就可以設(shè)定簇頭個(gè)數(shù)，從而達(dá)到最優(yōu)化。

2.2.2 簇頭輪換時(shí)間間隔

在LEACH協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)間要長(zhǎng)于簇建立的時(shí)間，這樣可利于減小能耗。但數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)間也不宜過長(zhǎng)，否則會(huì)使得簇頭能量消耗過大，也應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，即輪換時(shí)間間隙有一個(gè)合理的值。

假設(shè)簇中的節(jié)點(diǎn)數(shù)為N/K，且數(shù)據(jù)l的發(fā)送時(shí)間為Ts=l/Rb，假設(shè)一個(gè)幀內(nèi)的總時(shí)間為Tf=(N/k)(l/Rb)，這樣簇頭輪換的總時(shí)間為：

Tround=Nf/r×Tf=

(8)

通過以上的分析比較，即可得到理想狀態(tài)下簇頭輪換的最佳時(shí)間間隔。

2.2.3 簇頭選取及簇的形成

LEACH協(xié)議在簇頭選舉時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，只是在每輪循環(huán)中隨機(jī)等概率地選舉簇頭，為了延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，在選舉簇頭時(shí)加入節(jié)點(diǎn)剩余能量參考值，使剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)選為簇頭，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命[10]。

改進(jìn)的簇頭選舉算法流程如下：

(1)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置定時(shí)時(shí)間，剩余能量越多，時(shí)間越短，相反則越長(zhǎng)；

(2)所有節(jié)點(diǎn)定時(shí)時(shí)間確定后，節(jié)點(diǎn)便進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)時(shí)間必然最先結(jié)束，則當(dāng)選為簇頭，并向簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)廣播簇頭信息；

(3)各節(jié)點(diǎn)收到簇頭廣播信息后，計(jì)算其與簇頭的距離，如果距離小于間距D，則取消該節(jié)點(diǎn)的定時(shí)；

(4)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)收到簇頭廣播的消息數(shù)量達(dá)到最佳簇頭數(shù)kopt，則停止簇頭選舉，本輪簇頭選舉結(jié)束；

(5)每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的簇頭廣播信息信號(hào)的強(qiáng)弱，決定自己加入的簇，并通知相應(yīng)的簇頭，簇頭選舉及簇建立過程結(jié)束。

2.3 基于ECC的輕量級(jí)身份密鑰算法設(shè)計(jì)

由于節(jié)點(diǎn)資源受限，WSN的安全性問題比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨更多的挑戰(zhàn)。近年來，基于對(duì)稱密碼算法的密鑰管理方案一直被認(rèn)為是構(gòu)建WSN安全的最佳選擇，比如128bitAES加密算法，已經(jīng)被集成到ZigBee協(xié)議中[2]。但對(duì)稱加密算法密鑰管理相對(duì)困難，所以，一般使用對(duì)稱密碼算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，而使用非對(duì)稱加密算法管理密鑰。目前，構(gòu)建面向WSN應(yīng)用的輕量級(jí)身份公鑰加密算法成為研究熱點(diǎn)。ECC是一種基于橢圓曲線的公鑰密碼算法，同其它加密算法相比較，相同長(zhǎng)度密鑰下，ECC具有安全性高、占用內(nèi)存空間小等特性，所以ECC更適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理。下面構(gòu)造一個(gè)基于ECC的輕量級(jí)身份公鑰加密算法。

(2)密鑰組合

①計(jì)算節(jié)點(diǎn)散列值h=H(ID)，hi為散列值第ibit二進(jìn)制值；

③節(jié)點(diǎn)向PKG請(qǐng)求私鑰；

(3)加密

(4)解密

m=c2⊕H2(c1XID)，因?yàn)椋?/p>

c2⊕H2(c1XID)=(m⊕H2(rYID))⊕H2(r·PXID)=(m⊕H2(rYID))⊕H2(r·XID·P)=(m⊕H2(rYID))⊕H2(r·YID)=m

上述算法的安全性依賴于散列函數(shù)和ECC上的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)難題，ECC的特性比較適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在密鑰分發(fā)、安全認(rèn)證協(xié)議等方面的應(yīng)用已被證明可行。Peng N等人在TinyOS上研究ECC算法的最新成果TinyECC，進(jìn)一步推進(jìn)了ECC在WSN安全中的實(shí)用化進(jìn)程。

3 仿真結(jié)果與分析

一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如何，主要看3個(gè)指標(biāo)：首先是網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，其次是基站接收的數(shù)據(jù)總量，接收數(shù)據(jù)越多，說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)所監(jiān)測(cè)的區(qū)域測(cè)量越精確，協(xié)議性能也更好，最后還有負(fù)載平衡因子，它也是評(píng)價(jià)協(xié)議性能的重要指標(biāo)。

3.1 仿真環(huán)境

(1)硬件環(huán)境：Intel(R)CoreTMi5-3230MCPU 2.60GHz；內(nèi)存(RAM)4G，硬盤：500G；

(2)軟件環(huán)境：Windows 7旗艦版,32位操作系統(tǒng)，MATLAB 7。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 仿真監(jiān)測(cè)環(huán)境

圖2為仿真環(huán)境拓?fù)鋱D，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)。

圖2 仿真環(huán)境拓?fù)?/p>

3.2.2 計(jì)算最佳簇頭數(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)的多少直接影響分簇網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特性，簇頭數(shù)的數(shù)量應(yīng)以滿足系統(tǒng)要求和減少能耗為準(zhǔn)則[10]。根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，在MATLAB下實(shí)現(xiàn)了仿真，圖3是簇頭數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中每輪平均能耗的仿真圖，可以看出當(dāng)k=5時(shí)總能耗最低，約為9 J。如果簇頭數(shù)小于5，那么網(wǎng)絡(luò)中的簇頭數(shù)過少，節(jié)點(diǎn)傳輸距離過大，消耗的能量較多；如果簇頭數(shù)大于5，網(wǎng)絡(luò)中簇頭數(shù)量過多，消耗的能量增加。所以在本文假設(shè)的環(huán)境下最佳簇頭數(shù)kopt=5。

圖3 簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)與能耗的關(guān)系

3.2.3 LEACH-CND協(xié)議性能分析

LEACH-CND協(xié)議是對(duì)LEACH協(xié)議的一種改進(jìn)，仿真時(shí)主要與LEACH-C、LEACH協(xié)議進(jìn)行了比較，還與平面型協(xié)議MTE進(jìn)行了比較，意在顯示層次性協(xié)議的優(yōu)越性[11]。從圖4仿真結(jié)果可以看出，LEACH-CND協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較多，從而延長(zhǎng)了WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖4 4種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間仿真結(jié)果比較

3.2.4 接收數(shù)據(jù)總量比較

圖5是4種協(xié)議接收數(shù)據(jù)總量的仿真結(jié)果，該結(jié)果顯示了經(jīng)典型LEACH協(xié)議、LEACH-C協(xié)議、平面型路由協(xié)議MTE[12]及改進(jìn)的LEACH-CND協(xié)議數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)總量的比較，可以看出在相同時(shí)間內(nèi)，LEACH-CND協(xié)議接收數(shù)據(jù)總量大于其它幾種協(xié)議。

圖5 4種協(xié)議接收數(shù)據(jù)總量比較

4 結(jié) 語

總之，采用什么樣的路由協(xié)議直接關(guān)系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。為了減少節(jié)點(diǎn)能量的損耗，延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，我們對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的協(xié)議對(duì)簇頭選舉進(jìn)行了優(yōu)化，主要體現(xiàn)在根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量及求出最佳簇頭數(shù)等方面，提高了WSN整體生存時(shí)間[13]。在MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了仿真，驗(yàn)證了改進(jìn)后LEACH-CND協(xié)議的可行性。當(dāng)然，方案還存在一些不足，比如沒有實(shí)現(xiàn)LEACH-CND協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡方面的仿真結(jié)果，沒有全面深入地探討ECC在WSN安全方面的應(yīng)用，因此，下一步還有大量工作需要開展。

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Improvement and Analysis of LEACH Routing Protocol Algorithm

BAI Yong-xiang

(Weinan Vocational Technical College, Weinan Shaanxi 714000,China)

Based on the traditional LEACH protocol, an improved LEACH-CND protocol is proposed. The cluster head election of WSN network is optimized and implemented on the basis of residual energy, and the best cluster numbers of the wireless sensor networks is thus calsulated. Meanwhile, based on the advantage of the elliptic curve cryptosystem, the lightweight identity key encryption algorithms for WSN node is explored. Finally, simulation on the optimized protocol in MATLAB environment indicates its feasibility, and that it could prolong survival time of WSN networks.

WSN(Wireless Sensor Network)；hierarchical routing protocol；LEACH protocol algorithm；elliptic curve cryptography

2015-04-01；

2015-07-29 Received date:2015-04-01；Revised date：2015-07-29

渭南市科技創(chuàng)新扶持資金(No.2013JCYJ-6)

Foundation Item:Weinan Supported Funding for Science and Technology Innovation (No.2013JCYJ-6)

TP393.06

A

1002-0802(2015)09-1062-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.016

白永祥(1970—)，男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全。