針對智能家居應(yīng)用中的LEACH協(xié)議改進(jìn)

王改云 胡方舟

摘 要： 針對智能家居應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，并提出JC?LEACH算法。該算法分區(qū)成簇，將網(wǎng)絡(luò)空間分為幾個小區(qū)域，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置成簇，每個簇群里有且僅有一個簇首；在簇首選舉上將節(jié)點(diǎn)剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為新的簇首，防止能量不足的節(jié)點(diǎn)成為簇首。有效改善了傳統(tǒng)LEACH協(xié)議在智能家居應(yīng)用中簇首分配不均，節(jié)點(diǎn)能耗不均的問題。通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，該算法改善了節(jié)點(diǎn)能耗，有效提高了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。最終通過在智能家居實(shí)驗(yàn)箱上的實(shí)驗(yàn)，更進(jìn)一步說明該算法的可行性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 智能家居； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； LEACH協(xié)議； 分區(qū)成簇； 低功耗路由算法； 網(wǎng)絡(luò)壽命

中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0011?04

Abstract： On the basis of LEACH protocol， the structure features of smart house in practical application are improved and the JC?LEACH algorithm is proposed. The algorithm based on subarea cluster divides the network space into several small areas， establishes the cluster according to the nodes coordinate， and makes each cluster have only one cluster head. The node with maximum residual energy is set as the new cluster head for cluster head election to avoid that the node with insufficient energy is selected as the cluster head. The algorithm can efficiently improve the asymmetrical distribution of cluster heads and energy consumption asymmetry of nodes in smart home application of the traditional LEACH protocol. The experiment results of Matlab simulation show that the JC?LEACH algorithm improves the energy consumption of nodes， and prolongs the entire network life effectively. The feasibility and practicability of the algorithm are further illustrated with the experiment of smart home experimental box.

Keywords： smart home； wireless sensor network； LEACH protocol； subarea cluster； low?power consumption routing algorithm； network lifetime

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種將傳感測控技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)有機(jī)整合形成的一個新式協(xié)同系統(tǒng)[1]。它由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通常用來檢測一個區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，并將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。由于其高超的低功耗數(shù)字電路工藝以及實(shí)現(xiàn)了無線傳輸，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常常應(yīng)用于軍事方面、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境檢測等[2]。但由于電池能量有限且不易補(bǔ)充，網(wǎng)絡(luò)面臨著生存時間較短的問題，所以節(jié)能成了無線傳感網(wǎng)設(shè)計的主要目標(biāo)[3]。

2000年，MIT學(xué)者Heinzelman等人提出了LEACH，這是第一個低功耗、自適應(yīng)分簇路由算法，為后人的研究奠定了基礎(chǔ)[4]。LEACH算法中，將整個網(wǎng)絡(luò)分為幾個簇，一個簇里選一個簇首，用來接收簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息并轉(zhuǎn)發(fā)給基站。這樣可以使更多的節(jié)點(diǎn)處于低功耗模式，從而節(jié)省能量，提高整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。但LEACH算法也存在簇首分配不均等問題。

本文提出一種對LEACH的改進(jìn)算法，根據(jù)智能家居的實(shí)際應(yīng)用，將網(wǎng)絡(luò)分為幾個區(qū)域，每個區(qū)域有且僅有一個簇首，并且簇首的選舉考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。改進(jìn)后的算法無論是從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是簇首的選舉上都有所提高，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1 LEACH算法

1.1 簇的建立

LEACH協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較廣泛的一種層次路由協(xié)議[5]，其工作過程分為初始化階段和穩(wěn)定階段兩部分。初始化階段完成簇的建立，穩(wěn)定階段完成數(shù)據(jù)的傳輸。

1.1.1 初始化階段

首先根據(jù)式（1）產(chǎn)生一個[T（n）]；然后每個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個介于（0，1）之間的隨機(jī)數(shù)，并與[T（n）]進(jìn)行比較，若小于[T（n）]則當(dāng)選簇首。

式中：[p]為成為簇首的期望百分比；[r]為輪數(shù)；[G]為[1p]輪還沒有當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)集合。

節(jié)點(diǎn)成為簇首后，會向網(wǎng)絡(luò)中廣播自己成為簇首的消息，非簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號的強(qiáng)弱決定加入的簇，并向該簇的簇首發(fā)送加入信息。當(dāng)簇首收到加入信息后，通過時分多址（TDMA）建立通信時間表，并向簇內(nèi)廣播。此時，初始化階段完成，進(jìn)入穩(wěn)定階段。

1.1.2 穩(wěn)定階段

簇內(nèi)非簇首節(jié)點(diǎn)按照之前分配好的通信時間表，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)給簇首節(jié)點(diǎn)，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。簇首節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后，轉(zhuǎn)發(fā)給基站（或者Sink節(jié)點(diǎn)）。穩(wěn)定階段的時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始化階段的時間。

1.2 LEACH算法在智能家居方面的不足

對于不同的應(yīng)用環(huán)境而言，LEACH并不是最優(yōu)的路由協(xié)議[5]。在智能家居的實(shí)際應(yīng)用中，LEACH就存在著不足。LEACH算法中，簇首的選舉完全是隨機(jī)的，因此很容易出現(xiàn)簇首分布不均的問題，而在智能家居應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)往往分布在由許多小區(qū)域組成的空間里，這樣就會造成有的區(qū)域里有多個簇首，而有的區(qū)域里沒有簇首，這將嚴(yán)重影響整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。此外，由于沒有考慮到節(jié)點(diǎn)剩余能量這個因素，很有可能出現(xiàn)剩余能量低的節(jié)點(diǎn)重復(fù)當(dāng)選簇首，因而加速該節(jié)點(diǎn)的死亡速度，最終影響網(wǎng)絡(luò)的壽命。

本文針對這一問題做出改進(jìn)并提出優(yōu)化后的JC?LEACH算法。

2 JC?LEACH算法

2.1 提出假設(shè)

對于優(yōu)化后的JC?LEACH算法，提出假設(shè)如下：

1） 只有Sink節(jié)點(diǎn)能量無限，其余節(jié)點(diǎn)同構(gòu)且初始能量相同。

2） 所有節(jié)點(diǎn)一旦生成，位置不能改變。

3） 每個節(jié)點(diǎn)都有ID標(biāo)識，并且是唯一的。

4） 節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度計算與其之間的距離，控制發(fā)射功率。

2.2 能耗模型

在智能家居的實(shí)際應(yīng)用中，居室被分為幾個小房間，如廚房、臥室、客廳和衛(wèi)生間等。傳感器節(jié)點(diǎn)分布在各自的區(qū)域中獨(dú)立工作，不受鄰域干擾，十分符合LEACH算法的分簇思想。但由于傳統(tǒng)LEACH算法的不足，使得整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期較短。

2.3.1 簇群的建立

將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個小區(qū)域，每個區(qū)域成為一個簇群。對所有節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)除外）進(jìn)行遍歷，根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)決定加入的簇，并賦予該節(jié)點(diǎn)一個簇群編號。

2.3.2 簇首的選舉

由于各個節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，因此將簇首的選舉分為兩種方法。

1） 首輪選舉

每個節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送一組消息，消息內(nèi)容為自身ID+該節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離+簇群編號。Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇群編號將消息分類，并比較出每類消息中距離最短的節(jié)點(diǎn)ID，最后向網(wǎng)絡(luò)廣播一組消息，內(nèi)容為節(jié)點(diǎn)ID+簇群編號。各個節(jié)點(diǎn)根據(jù)廣播中的簇群編號有選擇地接受廣播信息，選擇廣播消息中ID號對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為簇首，并向簇首發(fā)送加入信息。簇首根據(jù)加入的節(jié)點(diǎn)數(shù)建立TDMA時間表，并向簇群內(nèi)廣播，建立通信。

2） 其余輪選舉

經(jīng)過首輪選舉，各個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量差，這時就可以根據(jù)剩余能量的大小選擇簇首。

每輪的開始，節(jié)點(diǎn)向各自的簇首發(fā)送一組消息，內(nèi)容是ID+剩余能量。簇首比較出剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)的ID號發(fā)送給簇群內(nèi)剩余能量大于0的節(jié)點(diǎn)。最終將該節(jié)點(diǎn)選為新簇首，其余節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入信息。簇首根據(jù)加入的節(jié)點(diǎn)數(shù)建立TDMA時間表，并向簇群內(nèi)廣播，建立通信。

JC?LEACH算法的改進(jìn)，首先在于改善網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)空間分為幾個小簇群，使之更加符合實(shí)際應(yīng)用場景；然后將節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為簇首選舉的依據(jù)，杜絕剩余能量少的節(jié)點(diǎn)再次或多次當(dāng)選簇首的可能性，提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真環(huán)境以及模型配置

此次對LEACH算法的改進(jìn)在Matlab環(huán)境下進(jìn)行，環(huán)境模擬的是實(shí)際家庭結(jié)構(gòu)。將100 m×100 m的區(qū)域劃分為6個小區(qū)域，在大的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成100個節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)位于（50，50）的位置。參數(shù)表如表1所示。

3.2 仿真波形及分析

通過Matlab對傳統(tǒng)LEACH算法以及改進(jìn)后的JC?LEACH算法進(jìn)行仿真，節(jié)點(diǎn)分布圖如圖2所示。

由圖2a）可以看出，LEACH算法的簇首在6個區(qū)域中分布不均勻，有的區(qū)域分布著多個簇首，有的區(qū)域沒有簇首，這樣不但會造成簇首資源的浪費(fèi)，更會縮短整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。而通過圖2b）可以看出，JC?LEACH算法的簇首在6個區(qū)域中均勻分布，一個區(qū)域中只有一個簇首，使得簇首資源充分利用，也有利于網(wǎng)絡(luò)生命周期的提高。

兩種算法仿真結(jié)果對比如表2所示。由表2可以看出，JC?LEACH算法將第一個節(jié)點(diǎn)的死亡時間延長了20%，而2 000輪后網(wǎng)絡(luò)中的剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)超過LEACH算法5倍多?？梢哉f，JC?LEACH算法在很大程度上優(yōu)于傳統(tǒng)LEACH算法。

輪數(shù)?平均剩余能量關(guān)系曲線如圖4所示。實(shí)線代表JC?LEACH算法，虛線代表LEACH算法。很容易看出，傳統(tǒng)LEACH算法下，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量損耗得很快，2 000輪后整個網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量所剩無幾；而在JC?LEACH算法下，網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量下降得較為緩慢，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LEACH算法。

4 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)LEACH算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)智能家居的實(shí)際應(yīng)用，將節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域劃分為多個區(qū)域，并對算法進(jìn)行改進(jìn)，確保每個小區(qū)域中有且僅有一個簇首。這使得簇首分布變得十分均勻，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)LEACH算法那樣的簇首集中分布在一個區(qū)域里，而有的區(qū)域里沒有簇首的情況。另外，簇首的選舉完全取決于節(jié)點(diǎn)的剩余能量，避免了能量低的節(jié)點(diǎn)再次當(dāng)選簇首，并且使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量趨于均勻。

通過仿真，證實(shí)了JC?LEACH算法在簇首分布以及延長網(wǎng)絡(luò)生命周期方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的LEACH算法，并且這種優(yōu)勢隨著輪數(shù)的增大而增大。

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