無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH算法的改進(jìn)

王浩

摘要：本文提出了一種LEACH協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議（L-LEACH）。這是一種有效的路由協(xié)議，可以延長電池的使用壽命。L-LEACH考慮剩余能量和簇頭選擇，并為WSN提供節(jié)能傳輸方案。與傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議相比，所提出的方法在活節(jié)點數(shù)，能量耗散，消息成本方面提供了更好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：能源管理；節(jié)能方法；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH；簇頭選擇

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0137-01

1 LEACH協(xié)議概述

由于使用大量小型和低成本傳感器節(jié)點的可行性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）已被許多研究人員所關(guān)注。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量電池供電的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點用于監(jiān)視和收集有關(guān)本地區(qū)域的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)報告給匯聚節(jié)點（基站）進(jìn)行分析。WSN廣泛應(yīng)用于監(jiān)控環(huán)境，軍事，工業(yè)，安全，家庭應(yīng)用和醫(yī)療保健等領(lǐng)域[1]。

LEACH是一種分層的跨層協(xié)議架構(gòu)，它將媒體訪問與路由相結(jié)合，收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。為了獲得低能耗，增加網(wǎng)絡(luò)生命周期，LEACH使用包含許多迭代的分層方法。每次迭代包括設(shè)置階段和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段[2]。在設(shè)置階段從所有傳感器節(jié)點隨機(jī)選擇簇頭，并動態(tài)創(chuàng)建多個簇。在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段，每個集群中的成員節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鼈冏约旱拇仡^。從成員節(jié)點接收的數(shù)據(jù)被壓縮并將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。

2 簇頭選擇

每個傳感器節(jié)點產(chǎn)生一個0到1之間的隨機(jī)數(shù)，然后與LEACH協(xié)議的公式產(chǎn)生的閾值T（n）做比較，若小于T（n），那么該節(jié)點可能當(dāng)選為簇頭。如果最終當(dāng)選為簇頭，則廣播消息告知其它節(jié)點，等待其它非簇頭節(jié)點的加入。

式中，p為簇首的比例，r表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運行的輪數(shù)，G表示在最后的1/p輪中還沒有成為簇首節(jié)點的集合。在r=0時，每個節(jié)點都以p的概率成為簇頭，經(jīng)過1/p-1輪后閾值變?yōu)?。

3 網(wǎng)絡(luò)能耗模型

LEACH算法的能耗模型為：

（2）

（3）

是發(fā)送k比特數(shù)據(jù)、傳輸距離d的能耗，則是接收k比特數(shù)據(jù)的能耗。

4 LEACH協(xié)議的缺點

與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法相比，LEACH協(xié)議能夠延長15%的網(wǎng)絡(luò)周期，但仍有一些缺點：（1）LEACH協(xié)議假定所有的節(jié)點都可以與基站直接通信，所以它不能應(yīng)用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中[3]。（2）沒有考慮節(jié)點所剩余的能量，采取隨機(jī)選擇簇頭的方式，導(dǎo)致能量低的節(jié)點也能被當(dāng)選為簇頭，加速節(jié)點的死亡。（3）不考慮簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離，當(dāng)簇頭離匯聚節(jié)點很遠(yuǎn)時仍采用單跳通信的方式，導(dǎo)致節(jié)點消耗大量能量。

5 改進(jìn)的L-LEACH協(xié)議

改進(jìn)后的L-LEACH協(xié)議考慮加入節(jié)點至匯聚節(jié)點的距離以及節(jié)點當(dāng)前剩余能量這兩個因素。其中，新算法的建立和穩(wěn)定傳輸階段與傳統(tǒng)LEACH算法大致相同，主要是在選擇簇頭時加入兩個新因子以平衡簇頭的選擇。

5.1 間距因子

無線傳輸?shù)陌l(fā)射功率和接收功率的關(guān)系為：，PT是發(fā)射功率，PR是接收功率，r是傳輸距離，n為傳輸因子。可以看出接收功率和傳輸距離成反比，也就是說節(jié)點距離匯聚節(jié)點越遠(yuǎn)，接收到的信號就越弱。由此，匯聚節(jié)點可以通過自身接收到的最弱信號得知與其距離最遠(yuǎn)的點，記其至匯聚節(jié)點的距離為dmax。記傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離為di，同樣，這些信息可以通過和匯聚節(jié)點間的通信得知。那么間距因子則為：。di為當(dāng)前節(jié)點到匯聚節(jié)點的距離，dmax則為所有節(jié)點至匯聚節(jié)點的最遠(yuǎn)距離。若節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離過遠(yuǎn)，比如大于能耗模型中的d0，那么其傳輸能耗將會消耗更多能量，此時應(yīng)使該節(jié)點被選為簇頭的概率有所降低。

5.2 能量因子

網(wǎng)絡(luò)剛部署時各節(jié)點剩余能量大致相同，但隨著時間流逝，各節(jié)點剩余能量參差不齊，這時候就要盡量選擇剩余能量高的節(jié)點作為簇頭。記當(dāng)前節(jié)點能量為Ei，所有節(jié)點初始能量為Emax.。則能量因子為：。這樣會使剩余能量過低的節(jié)點當(dāng)選為簇頭的概率相應(yīng)降低。

6 結(jié)語

本文在考慮了距離因素和剩余能量因素后，提出了一種基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議L-LEACH。該協(xié)議可以降低能量消耗，提高能量效率，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存活時間。具有實際意義。除此之外，可以考慮在如何均勻分簇這一點上多下功夫，以期獲得更好的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] Liao Q， Zhu H.An Energy Balanced Clustering Algorithm Based on LEACH Protocol[J].Applied Mechanics & Materials，2013，341-342：1138-1143.

[2] Zeydan E，Kivanc D，Comaniciu C，et al.Energy-efficient routing for correlated data in wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2012，10（6）：962-975.

[3] Arumugam G S，Ponnuchamy T.EE-LEACH： development of energy-efficient LEACH Protocol for data gathering in WSN[J].Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking，2015，2015（1）：1-9.

Abstract：This paper proposes an improved protocol for LEACH protocol （L-LEACH）. This is an effective routing protocol that extends battery life. L-LEACH considers residual energy and cluster head selection and provides an energy efficient transmission scheme for WSN. Compared with the traditional LEACH protocol， the proposed method provides better results in terms of the number of live nodes， energy dissipation， and message cost.

Key words：energy management；energy saving method；wireless sensor network；LEACH； cluster head selection