摘  要： 針對無線傳感器網絡典型分簇協(xié)議LEACH簇首隨機選擇和頻繁分簇的問題,，提出一種基于LEACH的改進協(xié)議。簇首的選擇分為奇數輪和偶數輪,，在奇數輪簇首的選擇時,，節(jié)點生成一個隨機數，將此隨機數和閾值進行比較,，小于閾值的節(jié)點成為簇首節(jié)點,，其中閾值的生成考慮了節(jié)點的能量。在偶數輪簇首選擇時,，每個簇選擇上輪中簇內能量最高的節(jié)點作為本輪簇首,。協(xié)議能夠有效均衡網絡的能量，延長了網絡的生命周期,。

　　關鍵詞： 無線傳感器網絡,；分簇；LEACH,；剩余能量

0 引言

　　無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network,，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式連接形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知,、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,，并發(fā)送給觀察者[1]。WSN不需要固定的網絡支持,，具有快速展開,、抗毀性強等特點,，可廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測,、醫(yī)療監(jiān)護和其他商業(yè)領域[1],。

　　在WSN體系結構中，網絡層的路由技術對WSN性能的好壞有重要影響,。隨著國內外對WSN的研究,，許多路由協(xié)議被提了出來，從網絡拓撲結構可以分為兩類：平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議,。在WSN的實際應用中,，由于通信損耗能量與傳送的數據量和到達目標的距離平方成正比，因此采用基于分簇的路由協(xié)議相對平面路由協(xié)議具有更好的適應性和節(jié)能性[2],。

　　本文提出的路由協(xié)議是基于最經典的分簇路由協(xié)議LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）提出的,，協(xié)議中簇首的選擇分為奇數和偶數輪。奇數輪簇首選擇中引入節(jié)點能量等參數,，避免低能量的節(jié)點成為簇首,。簇首確定后，簇首廣播自己為簇首的消息,，其他節(jié)點根據接收到的信號強度加入不同的簇,。在偶數輪簇首的選擇時，網絡不再大規(guī)模地動態(tài)生成簇,，只是選擇上一輪中簇內節(jié)點能量最大的節(jié)點作為本輪的簇首節(jié)點,，簇首節(jié)點選擇后，通過廣播通知其簇內節(jié)點自己成為簇首節(jié)點,。通過能量參數的引入使得簇首選擇避免了低能量節(jié)點成為簇首節(jié)點,，而且引入奇數和偶數輪降低了簇的生成開銷，有效節(jié)省了網絡的能量,，延長了網絡的生命周期,。

1 LEACH協(xié)議

　　該協(xié)議使用自適應成簇和簇首節(jié)點輪換技術，周期性地執(zhí)行任務,，每一個周期分為兩個階段,，分別是簇的建立階段和穩(wěn)定運行階段，這兩個階段的時間比在協(xié)議中是1：19,，穩(wěn)定運行時間要遠遠長于建簇時間,，這可避免分簇過于頻繁造成過多的能量損失。在穩(wěn)定運行階段,，各個非簇首節(jié)點將按簇首分給的時隙來發(fā)送數據給簇首,，簇首收到各個簇成員發(fā)來的數據進行綜合處理后再發(fā)給Sink節(jié)點。

　　LEACH[3]協(xié)議選擇簇首策略具體如下：在建簇中的簇首選擇階段,，每個節(jié)點在0~1之間隨機選擇一個數與閾值T（n）進行大小比較,，如果小于閾值,，則其將被選中成為新一輪的簇首，并廣播自己是簇首的消息,。如果節(jié)點已經被當選過簇首,，則將T（n）置為0，這樣將不可能再當選簇首了,。閾值T（n）表示為：

　　其中,，n表示傳感器節(jié)點數,，k表示簇頭節(jié)點數,，r為輪數，G為網絡生存期的總回合數,。

　　LEACH協(xié)議適用于大型的無線傳感器網絡,，與平面路由協(xié)議相比，LEACH協(xié)議在節(jié)能方面有比較突出的表現,，但也存在一些問題,，比如LEACH算法簇頭的選擇沒有考慮到節(jié)點的能量問題，如果一些能量較低的節(jié)點成為了簇首節(jié)點,，那么此節(jié)點很快就會將能量耗盡而退出網絡,，降低了網絡的壽命；同時LEACH算法簇的生成過于頻繁,，按照輪的方式運行,，每輪完成后，網絡將重新進入簇的生成階段,，簇的頻繁生成將會增大網絡的能量消耗,。

2 LEACH-OE

　　在研究了LEACH協(xié)議存在的一些問題后，本文提出了一種基于奇偶輪選擇簇首的協(xié)議LEACH-OE（Odd and Even number round of LEACH）,。該協(xié)議大大降低了成簇的輪數,，只有在奇數輪才會進行簇首的隨機選擇和簇內節(jié)點入簇操作，而且簇首選擇時,，考慮了能量因素,，使得能量高的節(jié)點成為簇首節(jié)點的概率更大，在偶數輪僅僅是選擇簇內能量最高的節(jié)點作為本輪的簇首節(jié)點,，之后通知其他簇內節(jié)點自己為簇首節(jié)點,，節(jié)省了成簇時的能量消耗。

　　2.1 模型介紹

　?。?）網絡模型：基站（BS）固定且能量供應充足,；各節(jié)點同構且具有節(jié)點編號；各節(jié)點可感知它的剩余能量,；各節(jié)點可以與基站直接通信,；各節(jié)點可根據接收者距離調整發(fā)射功率[4],。

　　（2）信道模型：傳感器節(jié)點發(fā)送k bit消息d距離時消耗的能量ETX（k,，d）：

　　接收k bit消息消耗的能量ETR（k）是：

　　ETR（k）=ERXelec（k）=kEelec（3）

　　在式（2）中,，發(fā)送與接收節(jié)點距離大于臨界值d0=時，使用多路徑模型,；否則使用自由空間模型,。Eelec是發(fā)射電路和接收電路消耗的能量，εfs和εamp都是發(fā)射放大器所消耗的能量,。

　　2.2 算法思想

　?。?）基于剩余能量的簇首選舉

　　本協(xié)議在簇首的選擇和成簇機制上進行了改進，簇首選擇時,，分為奇數輪和偶數輪,。當奇數輪時（r mod 2==1）采用簇首的隨機生成，此過程中,，不但考慮節(jié)點是否當選過簇首節(jié)點,，還考慮節(jié)點的能量因素，降低了低能量節(jié)點優(yōu)先成為簇首節(jié)點的概率,。由各個傳感器節(jié)點隨機生成一個[0,，1]之間的隨機數，比較此隨機數與閾值F（n）的大小,，如果小于F（n）則成為簇首節(jié)點,，然后廣播自己成為簇首節(jié)點的信息，而其他節(jié)點根據接收到的信息的強度自主加入相應的簇,。閾值F（n）表示如下：

　　當偶數輪（r mod 2==0）時,，根據各個簇內節(jié)點的能量信息，由上輪簇首節(jié)點決定本輪簇首節(jié)點的選擇,，上輪簇首根據簇內節(jié)點能量Ecur（i）的大小將簇內節(jié)點進行排序,，然后簇首將能量最大節(jié)點的編號ID向簇內進行廣播，簇內各個節(jié)點根據接收到的信息和自己節(jié)點ID進行比較,，當節(jié)點ID與接收到的信息中的節(jié)點ID相同時,，該節(jié)點廣播自己成為本輪簇首節(jié)點的信息，各個簇僅僅是改變了簇首而簇內節(jié)點不發(fā)生變化,。圖1是簇首選擇流程圖,。

　　（2）數據發(fā)送階段

　　在簇首選擇成功后,，簇首根據成員節(jié)點數目創(chuàng)建TDMA時間表,，并告知成員節(jié)點發(fā)送數據的時隙，成員節(jié)點只有在所分配的時隙內發(fā)送數據,，其余時間則處于休眠狀態(tài)以節(jié)約能量,，成員節(jié)點發(fā)送的數據在簇首處融合并最終由簇首發(fā)送至基站,。在數據的傳送中為了防止簇與簇之間的通信干擾，每個簇都使用一個特殊的代碼,，簇頭到基站的數據發(fā)送采用載波檢測多址接入技術（CSMA）,。當簇頭有數據發(fā)送時，先檢測信道是否空閑,，當信道有數據傳送時節(jié)點等待,，直到信道空閑一段時間后再進行數據的發(fā)送。

　?。?）能耗分析

　　在M×M的區(qū)域部署N個無線傳感器節(jié)點,，分為k個簇，每個簇中有N/K個節(jié)點（一個簇首節(jié)點,，其余為非簇首節(jié)點）,，傳感器節(jié)點發(fā)送l bit數據,，簇首在一輪中消耗的能量為：

　　從以上可知,，傳感器網絡中，網絡的能耗主要是簇傳輸數據能量消耗和成簇的能量消耗,。在已知網絡中,，節(jié)點數N、發(fā)送和接收電路的能耗Eelec,、功率放大系數εamp和εfs,、數據融合能耗EDA都是一定的，而簇數k,、簇首節(jié)點到基站的距離dtoBS,、簇內成員到簇首的距離dtoCH是不確定的，但是在本文討論的網絡中因為都是隨機的,，假設其差別不大?，F在能量消耗的節(jié)省主要從成簇方面進行考慮，Etotal是一定的,，因為引入奇數,、偶數輪成簇機制，每兩輪才產生一輪成簇的能量消耗,，很顯然延長了總的網絡壽命,，同時，在簇首的選擇時,，只有那些剩余能量較高的節(jié)點優(yōu)先選為簇首節(jié)點,，可以有效均衡網絡能耗，進一步延長網絡壽命,。

3 仿真結果及其分析

　　3.1 仿真環(huán)境

　　為了驗證本文算法的性能,，在MATLAB平臺上進行仿真比較,。100個無線傳感器節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域內，根據參考文獻[5]的分析,，LEACH算法每輪最佳簇首個數,，約為節(jié)點總數的5%，仿真中選擇k為5,，仿真參數如表1所示,。

　　3.2 LEACH和LEACH-OE性能的比較

　　在MATLAB環(huán)境下仿真LEACH-OE與LEACH協(xié)議，兩種協(xié)議運行5 000輪后生存和死亡節(jié)點的分布如圖2所示,。LEACH協(xié)議在1 127輪開始有節(jié)點死亡,，而LEACH-OE在1 435輪開始有節(jié)點死亡，這是因為在簇首選擇時LEACH-OE考慮了能量因素,。而節(jié)點完全死亡LEACH-OE達到了2 782輪,，遠遠大于LEACH的2 237輪，輪數提高了24.5%左右,。因為LEACH-OE協(xié)議引入了奇數輪成簇機制,，更節(jié)省網絡的整體能量，延緩節(jié)點死亡的時間,，從而使網絡生命周期得到延長,。

　　兩種協(xié)議能量的消耗如圖3所示，比較可知在運行同等輪數的情況下,，LEACH-OE能量的消耗明顯比LEACH要小,，在運行輪數為1 000的情況下，LEACH-OE比LEACH能量消耗要少21%左右,，如圖可知,，最終網絡中節(jié)點全部死亡的時候網絡總的能量消耗是相等的，運行的時間越長,，網絡更有優(yōu)勢,。

4 結論

　　為提高網絡的生存時間，平衡節(jié)點的能量消耗,，本文提出了一種基于能量和奇偶輪的分簇式無線傳感器網絡路由協(xié)議（LEACH-OE）,，在奇數輪成簇的過程中，簇首的選擇考慮到節(jié)點的能量因素,，選擇能量更高的節(jié)點作為簇首,，在偶數輪直接選擇能量最高節(jié)點作為簇首節(jié)點。通過MATLAB仿真實驗,，對LEACH和LEACH-OE在能量消耗,、運行輪數方面進行比較。結果表明，LEACH-OE協(xié)議在負載均衡和能量消耗方面有很大的改善,，可以有效地延長網絡生存時間,。

參考文獻

　　[1] 孫利民，李建中,，陳渝,，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

　　[2] AKYKLDIZ I F. Wireless sensor networks： a survey[J]. Computer Network,， 2002,，38（4）：393-422.

　　[3] HEINZELMAN W， CHANDRAKASAN A,， BALAKRISHNAN H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Transaction on Wireless Communications,，2002，1（4）：660-670.

　　[4] BANDYOPADHYAY S,， COYLE E J. Minimizing communication costs in hierarchically clustered networks of wireless sensors[J]. Wireless Communications and Networking,，2003（2）：1274-1279.

　　[5] 張輝，許峰.WSN中基于權值的Leach協(xié)議的研究與改進[J].微計算機信息,，2010,，26（8）：199-201.