无线传感器网络LEACH路由协议的节能改进算法

无线传感器网络LEACH路由协议的节能改进算法

史莉莉

陕西黄河集团有限公司 西安 710043

摘要：LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的WSN自适应分簇分层路由协议，但协议没有考虑节点的剩余能量，随机的产生簇头节点，且在分簇过程中没有考虑簇头节点的数量，过多的簇头造成数据冗余，过少的簇头又因数据传输距离过长而消耗过多的能量，缩短了整个网络的生存周期。针对LEACH存在的以上缺陷，首先在阀值公式中引入节点的能量因素，然后提出一种新的簇头数的计算方法，通过控制簇头数量确保了网络负载的平衡。仿真结果表明：改进后的算法有效降低了能耗，延长了节点和网络的寿命。

   关键词：无线传感器网络，LEACH路由协议，最佳簇头数，能量消耗

1 引言   

无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点以自组织的方式构成的无线网络。传感器节点通常采用电池供电，其计算和存储能力十分有限，因此节能是无线传感器网络的一个重要研究方向[[1]]。其中LEACH路由协议是最早提出的一个能量利用率较高的分层路由协议，协议采用分簇的方式，实现网络能量消耗的均衡。本文针对LEACH协议的一些不足，提出改进算法。

2 LEACH 算法概述

LEACH算法是无线传感器网络最早提出的分簇路由协议， LEACH定义了轮的概念，每轮分为簇的建立阶段和稳定状态阶段。在簇的建立阶段，每个节点产生一个（0,1）之间的随机数，并把它和阀值              T(n)进行比较，如果这个数小于阀值，则该节点成为簇头节点。T(n)的计算公式为：

其中，P是簇头在所有传感器节点中所占的百分比，P=k/n,k为网络中的簇头个数，N为网络中的节点总数，r是当前的轮数，G是前1/P轮中未

当选过簇头节点的集合。在每1/P轮，每个节点有且只能成为一次簇头。

3 簇头选择的改进

Leach协议中所有节点被选为簇头的概率是相等的，但他们当选为簇头的概率依然是相等的。在这种情况下会出现一些剩余能量很少的节点依然被选为簇头节点，这样导致此节点的能量会很快耗尽，出现网络“洞点”使得整个网络的生存时间变短[2]。因此，应当把节点的剩余能量作为簇头选择的考虑因素。

本文根据Leach的阀值公式结合节点的剩余能量，提出改进的阀值为：    （2）

其中E0为表示节点的初始能量，EC表示节点的当前能量值。本文将改进后的LEACH称为LEACH-I，这种方法通过节点的剩余能量来调节阀值的大小，可以使剩余能量多的节点计算的阀值较大，从而提高其成为簇头的机会。该方法的缺陷是：只考虑了节点能量而忽略了最佳簇头数对网络性能的影响。下文是在LEACH-I的基础上，再进一步对簇头数目进行优化，并将改进后的算法命名为LEACH-II。

4 最佳簇头数目的改进算法

4.1 Leach协议节点的能耗模型

Leach协议采用一阶无线电模型，在无线电的传输过程中，信号能量的衰减与发送端和接收端的距离有关，定义阈值d0，表达式为：。如果距离d＜d0，则采用自语空间（fs）模型，如果距离d＞d0，则采用多径衰落（MP）模型[3]。因此，在距离发送一条长度l比特消息的电台耗能为：

接收这条消息的耗能为：

   (4)

其中表示电台电子元器件耗能；、表示信号放大器的放大倍数。

簇头广播一条消息耗能为：；每个簇头的平均耗能为：  ；

簇头消耗的能量为： ； 所以，簇建立阶段每个簇头节点消耗的能量为：                

（5）                        

簇建立阶段每个非簇头节点消耗的能量为：

    (6)

                                      综上所述，簇建立阶段的总能耗为：

(7)                                                                                                                     

4.2 稳定阶段的能量消耗

假设在簇头和基站之间距离较远，簇头节点要经过跳才能到达基站，设每跳距离相等，都等于，那么簇头节点的三部分耗能分别为：

接收簇内成员节点的耗能：             (8)                     

若每条数据消息的比特数为l,假定数据完全累积，故累积融合数据的耗能为：                    

（9）

簇头到基站之间采用多跳传输，假设簇头到中继节点的距离为γ，则，将数据发送给中继节点的耗能为：         (10)

所以,数据传输阶段一个簇头节点的总耗能为：

(11)

同理，中继节点将数据传给基站的耗能为：

(12)                             

每个非簇头节点的耗能为：

  (13)

所以稳定阶段的总耗能为：

                                       (14)

4.3 最优簇头数的优化算法

一轮运行过程中，所有节点消耗的总能量为建立阶段和稳定阶段的耗能之和，即  

                     (15)

则节点到簇头的距离的平方的期望值为：

                 (16)

将（16）式的值带入（15）式中，再对K进行求导，令导数等于零，即可得到最佳簇头数目k：

       (17)

上式中、、、均是仿真实验室中固定的参数值，所以最佳簇头个数由网络区域M、传感器节点总数N。

5 仿真与分析

本文使用MATLAB进行仿真分析，分别对LEACH、LEACH-I、LEACH-II进行了仿真，仿真网络含有100个节点，随机分布在100*100的区域内，基站位于（50,175）。图1表明改进后的LEACH-II出现第一个死亡节点的时间明显较晚，所有节点死亡时网络运行的轮数明显较大，改进算法LEACH-II优化了网络性能，有效地延长了网络的生存周期。

       图1-剩余节点数与轮数的关系

结束语

 LEACH路由协议中，簇头的产生是随机的，过多或过少的簇头数目造成网络能耗的不均匀，缩短整个网络的寿命，本文针对LEACH存在的这些不足，

提出了新的改进算法，仿真实验结果表明，改进后的算法均衡了网络能耗，有效地延长网络的生存时间。

参考文献

[1] 陈林星.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2009。

[2]   孙利民，李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.