等量線模型下的LEACH優(yōu)化協(xié)議

王 軍， 張亞君， 徐萬一， 馬德朋

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是通過自組織的方式形成的網(wǎng)絡(luò)，其中布置了大量成本低廉、并且可以進(jìn)行傳感、數(shù)據(jù)傳輸處理以及通信的傳感器，這些傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立于基站或移動(dòng)路由器等基礎(chǔ)的通信設(shè)施.其網(wǎng)絡(luò)的形成是通過分布式協(xié)議自組形成的，其通過相互協(xié)作以達(dá)到感知、采集和處理其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)所能獲取到的一切對(duì)象信息.在進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究時(shí)，節(jié)點(diǎn)能量使傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命受到制約，同時(shí)傳輸帶寬低和容易出錯(cuò)也是傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，很難保證其安全.為此，傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前研究的目標(biāo)是設(shè)計(jì)部署功耗低、容錯(cuò)能量強(qiáng)、安全的傳感器網(wǎng)絡(luò)[1-2].

LEACH的簇頭選擇方法在給網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)分配能量時(shí)，不能夠?qū)⒛芰控?fù)荷均勻分配，從而不能使得網(wǎng)絡(luò)能量消耗均衡.針對(duì)上述，本文對(duì)LEACH中簇頭隨機(jī)選擇算法進(jìn)行了改進(jìn).改進(jìn)后的協(xié)議有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的生存周期，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間，從而達(dá)到了能量均衡分配，避免過早地產(chǎn)生能量空洞造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓.

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗特性

傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用模塊化設(shè)計(jì)[3-4]，由感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成，通過各個(gè)模塊的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的感知、采集、編碼、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送、通信以及能量管理等功能.而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要用于感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊.能量消耗主要分為非通信類能量消耗和通信類能量消耗兩種.感知模塊的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)處理能耗屬于非通信類能量消耗.由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件特點(diǎn)，其采樣數(shù)據(jù)量較少，數(shù)據(jù)處理的相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，非通信類能量消耗較低.而屬于通信類能量消耗的無線通信模塊主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，是傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要來源.通信類的能量消耗主要包括節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知的數(shù)據(jù)包或者根據(jù)路由路徑接收并轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以及接收或者轉(zhuǎn)發(fā)來自匯聚節(jié)點(diǎn)的控制信息包[5].

無線通信模塊分為4種工作方式[6]，分別是：發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)和睡眠狀態(tài).發(fā)送狀態(tài)時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)需要將感知處理后的數(shù)據(jù)包根據(jù)路由路徑發(fā)送到其它節(jié)點(diǎn)或者轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包.接收狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)來的控制消息或者作為中間節(jié)點(diǎn)接收其它節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包.空閑狀態(tài)時(shí)，雖然節(jié)點(diǎn)即不發(fā)送也不接收數(shù)據(jù)包，但節(jié)點(diǎn)需要一直監(jiān)聽通信信道，來檢查是否有需要接收的數(shù)據(jù)包，因此空閑狀態(tài)同樣有較高的能量消耗.而睡眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)則會(huì)關(guān)閉無線通信模塊，此時(shí)能量消耗很低.在節(jié)點(diǎn)不需要感知和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)來保存能量，待到有事件發(fā)生時(shí)被喚醒，退出休眠狀態(tài)進(jìn)行工作.睡眠狀態(tài)能夠通過休眠不必要的節(jié)點(diǎn)來盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗.

2 LEACH路由協(xié)議

2.1 LEACH算法簡(jiǎn)介

LEACH[7-8]是一種專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的典型的層次型路由協(xié)議，是低功耗自適應(yīng)簇頭路由算法.在LEACH算法[9-11]中，節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式形成不同的簇.而簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇方式是通過隨機(jī)循環(huán)的方式進(jìn)行確定，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，各個(gè)簇頭內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)將自身所收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)，然后簇頭節(jié)點(diǎn)將其所收集到的數(shù)據(jù)融合處理后傳往Sink節(jié)點(diǎn).其最基本邏輯是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程.通常情況下用“輪”來描述每個(gè)簇的形成過程，而簇的建立階段和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸階段兩部分組成簇的一輪運(yùn)行周期.

2.1.1 簇建立階段

在建立簇的階段，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生0～1之間的隨機(jī)數(shù)，并將隨機(jī)數(shù)與閾值進(jìn)行比較，如果小于閾值T(n)，則選該節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn).其閾值的大小由下式確定：

(1)

式中，p表示簇頭在所有節(jié)點(diǎn)中占的百分比，n表示網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)，r表示當(dāng)前輪數(shù)，G表示這一輪循環(huán)中未當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)集合.一旦簇頭被選定，它應(yīng)用CSMA(carrier-sense multiple access)MAC協(xié)議以相同的傳輸能量主動(dòng)向所有節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的消息，成為ADV；普通節(jié)點(diǎn)將接收器打開以便接聽簇頭發(fā)送的廣播消息，普通節(jié)點(diǎn)會(huì)在一定時(shí)間間隔內(nèi)同時(shí)收到多個(gè)簇頭所發(fā)布的廣播消息，而其最終會(huì)決定加入哪個(gè)簇頭則取決于自身接受到的消息的強(qiáng)弱.在每個(gè)節(jié)點(diǎn)決定其將要加入哪個(gè)簇頭之后，該節(jié)點(diǎn)用CSMA協(xié)議發(fā)送Jion-REQ到相應(yīng)的簇頭，然后簇頭會(huì)分配時(shí)隙給其范圍內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)，并通過廣播的方式發(fā)送給簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn).這在一定程度上保證了簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)只在相應(yīng)的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在其他時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少能量消耗.

2.1.2 穩(wěn)定階段

收到通知的簇頭節(jié)點(diǎn)，為簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建時(shí)分多址；普通節(jié)點(diǎn)在各自時(shí)隙表中，將其收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給其所在簇的簇頭節(jié)點(diǎn)，然后簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)融合壓縮后發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)，直到循環(huán)結(jié)束，準(zhǔn)備下一次聚簇.LEACH協(xié)議是簡(jiǎn)單的分層路由協(xié)議，每次隨機(jī)選取簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)T(n)來確定擔(dān)任簇頭的節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭是等概率的.能量小的節(jié)點(diǎn)與能量大的節(jié)點(diǎn)做簇頭的概率完全相同.能量低的節(jié)點(diǎn)若被選作簇頭，很容易耗盡能量而失效，在若干次的運(yùn)行之后，會(huì)出現(xiàn)簇頭過分集中于某一區(qū)域或在一個(gè)區(qū)域內(nèi)不再有簇頭的現(xiàn)象.隨機(jī)選取機(jī)制，導(dǎo)致簇的個(gè)數(shù)變化，若簇過少，會(huì)因距離遠(yuǎn)而造成能量快速消耗，其不利于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期.此外，一旦簇頭失效，整個(gè)簇都無法進(jìn)行通信，不利于網(wǎng)絡(luò)的健壯性，也不利于全網(wǎng)的負(fù)載均衡.

2.2 LEACH算法分析

雖然LEACH算法在一定程度上能夠提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但是其在使用的過程中某些假設(shè)條件仍存在一些問題：

(1) 簇頭選取過程中隨機(jī)循環(huán)產(chǎn)生簇頭，此時(shí)在節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可能加大能量的消耗[12].

(2) 在LEACH算法中假設(shè)的是所有的節(jié)點(diǎn)都可與匯聚節(jié)點(diǎn)Sink直接通信，若節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的情況下能量消耗必然增大，不適合在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用[13-14].

(3) 在簇頭確定之后，要發(fā)送廣播信息給其范圍內(nèi)覆蓋的所有節(jié)點(diǎn)，增加了節(jié)點(diǎn)間的通信量.這一過程毫無疑問加大了能量的消耗率.

(4) 每進(jìn)行下一輪的工作，都需要重新確定簇頭節(jié)點(diǎn)，重新進(jìn)行聚類的劃分.每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要接受和傳輸數(shù)據(jù)消息，大量的能量在這一過程中被消耗.

3 LEACH路由協(xié)議的改進(jìn)

LEACH協(xié)議采用自適應(yīng)的成簇算法以及簇頭位置的輪換算法，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載.但其忽略了節(jié)點(diǎn)的通信距離不同，傳輸距離的增加會(huì)造成能耗增大.并且其簇頭選取的隨機(jī)性，有可能使剩余能量很小的節(jié)點(diǎn)仍被選作簇頭，或者離簇頭和基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)也成為簇頭，這一部分節(jié)點(diǎn)很有可能因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸而耗盡自己的能量，從而成為死亡節(jié)點(diǎn).出現(xiàn)大量的失效節(jié)點(diǎn)將會(huì)使整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期大大降低和協(xié)議的有效性大打折扣[15].NPT_LEACH協(xié)議[16]是基于LEACH協(xié)議改進(jìn)后的協(xié)議，其協(xié)議的主要思想是在選舉簇頭時(shí)加入備選簇頭集和增加最優(yōu)簇半徑的過程.改進(jìn)后的協(xié)議提高了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的適應(yīng)性，并且延長(zhǎng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但其在最優(yōu)簇半徑的確定過程中會(huì)加大能量的消耗.在這些不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于等量線模型和節(jié)點(diǎn)位置及剩余能量的簇頭選取機(jī)制，記為I_LEACH.本算法的關(guān)鍵是計(jì)算合理的選舉參數(shù)，確定新一輪簇頭的選舉時(shí)間，即當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于平均能量的一半時(shí)，在簇內(nèi)開始進(jìn)行簇頭選舉；然后通過建立等量線模型和計(jì)算距離比值來確定新的簇頭節(jié)點(diǎn).

3.1 等量線理論

在物理學(xué)中，場(chǎng)的概念隨處可見.在靜電場(chǎng)描繪中，用一對(duì)電極產(chǎn)生的恒定電流模擬一對(duì)等量異種電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)是最經(jīng)常采用的方法.因?yàn)橹苯訙y(cè)電流場(chǎng)有一定的困難，而借助電壓表可以測(cè)出電場(chǎng)中一系列的等勢(shì)點(diǎn)，進(jìn)而畫出等勢(shì)線，最后畫出電場(chǎng)線[17-18].因此，借用等勢(shì)線的概念，提出等量線，即將節(jié)點(diǎn)剩余能量相近的節(jié)點(diǎn)劃分在一條線上，在簇頭選取的過程中優(yōu)先選取高能量線上的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，從而起到保護(hù)低能量節(jié)點(diǎn)的目的，特別是保護(hù)高能量區(qū)域內(nèi)的低能量節(jié)點(diǎn).使數(shù)據(jù)包通過高效率高能量的簇頭傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，使路由路徑具有高效率、高均衡性.

3.2 網(wǎng)絡(luò)的初始化

在LEACH算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化.實(shí)驗(yàn)環(huán)境是已知傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布在被監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)，且Sink節(jié)點(diǎn)是固定的.具體的條件如下：

(1) 所有的傳感器節(jié)點(diǎn)是平等的，初始能量相同；

(2) 基站位于傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域以外的固定一點(diǎn)，基站的能量不受其他因素的限制；

(3) 傳感器節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的位置是固定不變的；

(4) 傳感器節(jié)點(diǎn)向任意方向發(fā)送數(shù)據(jù)的功率是相同的；

(5) 本算法只考慮數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯?

3.3 簇形成階段

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的初期，采用隨機(jī)的方式來產(chǎn)生簇頭.所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取0至1的數(shù)值，與T(n)進(jìn)行比較，T(n)按照公式(1)計(jì)算.此時(shí)查詢節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)表，如果該值大于閾值T(n)，則成為簇頭.這些節(jié)點(diǎn)將向周圍節(jié)點(diǎn)廣播信息，接著進(jìn)入簇的生成階段.

下一輪則是以高等量線上且距離sink節(jié)點(diǎn)和剩余能量最小的節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)為簇頭.在本輪的簇頭選取中，首先基站收集節(jié)點(diǎn)剩余能量和位置信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量建立等量線模型.選取高等量線上的任一節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其距離基站和剩余能量較小的節(jié)點(diǎn)的距離，然后比較其自身能量是否大于網(wǎng)絡(luò)平均能量，確定其是否可以成為簇頭.確定簇頭之后，向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息.在各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到簇頭選取消息后，將當(dāng)前剩余能量en.res、本輪通信階段節(jié)點(diǎn)的能量消耗en.cons等參數(shù)傳送給簇頭.然后依據(jù)等量線的原理將節(jié)點(diǎn)劃分等級(jí)，節(jié)點(diǎn)剩余能量的計(jì)算方法采用LEACH中使用的能量消耗公式[19].即在數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量消耗為

(2)

其中，l為發(fā)送數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)；d為發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離；Eelce為發(fā)送節(jié)點(diǎn)電路的能量消耗系數(shù)；當(dāng)傳輸距離小于閾值dcrossover時(shí)，功率放大損耗采用自由空間模型，εfs表示該模型下功率放大損耗的能量；當(dāng)傳輸距離大于等于閾值dcrossover時(shí)，功率放大損耗采用多路徑衰減模型，εmp表示該模型下功率放大損耗的能量.

接收節(jié)點(diǎn)的能量消耗為：

ERx(l,d)=lEεlεc

(6)注重對(duì)學(xué)生的學(xué)法指導(dǎo)。教學(xué)是由教與學(xué)雙方構(gòu)成的，要達(dá)到良好的教學(xué)效果，就要求教師要教好，學(xué)生也要學(xué)好。對(duì)中學(xué)生而言，要搞好學(xué)習(xí)，取得好成績(jī)，就要成為一名學(xué)習(xí)的管理者，做到自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率，合理安排時(shí)間，找到適合自己的學(xué)習(xí)方法。教師要注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，分析問題，解決問題。

(3)

因此，在一輪通信后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量為：

Eres=E0-[ETx(l,d)+ERx(l,d)]

(4)

其中E0表示節(jié)點(diǎn)的初始能量.

在一個(gè)簇內(nèi)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量Eres，將能量相近的節(jié)點(diǎn)依據(jù)等量線劃分等級(jí)(允許±α的浮動(dòng)范圍)，形成等量線模型，依次選取高等量線上的節(jié)點(diǎn)，依據(jù)公式(5)計(jì)算傳輸距離比值p.

(5)

將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的簇，一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和若干的普通節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇類.簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，然后簇頭節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)整合傳送給sink節(jié)點(diǎn).新簇頭產(chǎn)生后，下一輪的選取則根據(jù)簇頭內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、簇頭節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)的能量消耗數(shù)值等實(shí)時(shí)因素動(dòng)態(tài)確定.

圖1是I_LEACH算法的工作流程,其具體過程為：收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量及其位置信息，根據(jù)等勢(shì)線的概念，建立等量線模型，在等量線上隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)i，計(jì)算其到最小剩余能量節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的距離，再計(jì)算出其比值，若滿足條件，則i選作簇頭，廣播消息進(jìn)入穩(wěn)定傳輸階段；若不滿足條件，則再選擇高等量線上的另一節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算，直到找到簇頭節(jié)點(diǎn)為止.

I_LEACH協(xié)議較LEACH協(xié)議主要是在簇頭選取階段進(jìn)行優(yōu)化，LEACH協(xié)議的簇頭位置輪換算法是由每個(gè)簇頭產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)并與系統(tǒng)給定的閾值比較，即簇頭是每輪隨機(jī)產(chǎn)生的，可能存在某一節(jié)點(diǎn)的剩余能量已經(jīng)很小但仍被選為簇頭節(jié)點(diǎn)，或者離簇頭較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)和那些離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)也會(huì)成為簇頭的情況，它們很有可能因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸而耗盡自己的能量成為死亡節(jié)點(diǎn)，大量失效節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)將會(huì)大大降低整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期和協(xié)議的有效性.而I_LEACH協(xié)議充分考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行簇頭的確定，在等量線模型的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選取高等量線的節(jié)點(diǎn)作為備選簇頭，并且進(jìn)行距離系數(shù)的比較，從而確定出最佳的簇頭節(jié)點(diǎn)，延長(zhǎng)了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真環(huán)境

采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OMNET+ +進(jìn)行仿真，采用數(shù)據(jù)分析軟件MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的存活時(shí)間和節(jié)點(diǎn)的能量消耗，對(duì)改進(jìn)后的新協(xié)議進(jìn)行性能評(píng)價(jià).設(shè)置以下的基本參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，假設(shè)I_LEACH協(xié)議在仿真環(huán)境中的情況如下：在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)有100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，且在100 m×100 m的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)均勻地分布；坐標(biāo)(0,0),(0,100),(100,100),(100,0)處為sink節(jié)點(diǎn)；并且所有節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，初始值為0.5 J；發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量消耗為50 nJ/bit；數(shù)據(jù)融合的能耗為50 nJ/bit.具體參數(shù)如表1所示.

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及分析

通過OMNET+ +網(wǎng)絡(luò)仿真模型，從節(jié)點(diǎn)的剩余能量、高等量線上的備選簇頭節(jié)點(diǎn)到最小剩余能量節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的距離綜合選取簇頭節(jié)點(diǎn)，得到LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議和I_LEACH協(xié)議剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)以及能量消耗的對(duì)比.

在NPT_LEACH協(xié)議、LEACH協(xié)議和I_LEACH協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)量如圖2所示.

3種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生存周期和節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，采用NPT_LEACH協(xié)議和LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的剩余數(shù)量少于I_LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余數(shù)量，并且NPT_LEACH協(xié)議在1500輪時(shí)節(jié)點(diǎn)全部無效，LEACH協(xié)議更是在1400輪時(shí)節(jié)點(diǎn)就已經(jīng)全部無效，而I_LEACH協(xié)議則在1600輪時(shí)節(jié)點(diǎn)才全部失效.仿真表明I_LEACH協(xié)議的性能優(yōu)于LEACH協(xié)議及NPT_LEACH協(xié)議，節(jié)點(diǎn)的存活率顯著增多.

在NPT_LEACH協(xié)議、LEACH協(xié)議和I_LEACH協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)的能量消耗隨時(shí)間的變化如圖3所示.圖3中剩余能量顯示的值較真實(shí)值擴(kuò)大100倍.在初始時(shí)，NPT_LEACH協(xié)議、LEACH協(xié)議和I_LEACH協(xié)議的節(jié)點(diǎn)能量消耗都成正相關(guān)性的增長(zhǎng)，但是LEACH協(xié)議的節(jié)點(diǎn)能量消耗速率比NPT_LEACH協(xié)議、I_LEACH協(xié)議的節(jié)點(diǎn)能量消耗速率要快得多，到80輪時(shí)，LEACH協(xié)議的節(jié)點(diǎn)消耗速率逐漸變陡峭，I_LEACH依舊保持近似于原有的節(jié)點(diǎn)能量消耗速率.研究表明I_LEACH算法能夠更加有效地控制網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)的生命周期得以延長(zhǎng).

通過以上的仿真試驗(yàn)對(duì)比，I_LEACH協(xié)議比LEACH協(xié)議、NPT_LEACH協(xié)議有更好的性能.從圖2可以看出：隨著時(shí)間輪數(shù)的推移，剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)，即仍然存活的節(jié)點(diǎn)總數(shù)越來越少，但是I_LEACH的穩(wěn)定周期比LEACH和NPT_LEACH的穩(wěn)定周期要長(zhǎng).從圖形趨勢(shì)上看，I_LEACH與LEACH、NPT_LEACH相比，曲線較緩.這說明I_LEACH算法相比于LEACH算法和NPT_LEACH算法很大程度上提高了傳感器的網(wǎng)絡(luò)壽命，并且使所有的節(jié)點(diǎn)能量幾乎同時(shí)耗盡，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期和節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間.而圖3同樣表明I_LEACH協(xié)議更能使網(wǎng)絡(luò)的能量均衡分配，可以更加有效地控制網(wǎng)絡(luò).

5 結(jié) 論

在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了基于等量線模型和節(jié)點(diǎn)位置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量?jī)?yōu)化的分簇算法.綜合分析和研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的基本特點(diǎn)和原理，總結(jié)分析已有路由協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了LEACH的優(yōu)化協(xié)議I_LEACH.在簇首的選取機(jī)制上，根據(jù)高等量線上節(jié)點(diǎn)到sink和最小剩余能量節(jié)點(diǎn)的距離綜合考慮確定簇頭.保證了讓高能量節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭，降低了簇頭到sink節(jié)點(diǎn)的能量消耗，減少了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)不必要的能量消耗，有利于節(jié)點(diǎn)能量的同步消耗，從而將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期有效延長(zhǎng).通過實(shí)驗(yàn)仿真表明：I_LEACH協(xié)議可以有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間，具有顯著的理論意義和實(shí)際應(yīng)用.