基于距离概念的LEACH路由算法改进与仿真

蒋悦涛 彭瑞

摘要:针对LEACH路由协议随机选取簇头，导致距离基站较远的簇头节点能量开销较大的问题，提出了一种基于距离的改进LEACH路由算法LEACH-DB。LEACH-DB分析无线传感网络中节点与基站相对位置分布，以及两者之间能量开销情况，在原LEACH协议路由算法中引入距离因子φ及其权重指数α，从而改变网络中簇头的位置分布，降低簇头与基站之间的通信开销，网络生存时间得到延长。经过Matlab仿真，该算法有效的延长了网络生存时间。

关键词：LEACH路由算法；相对位置分布；簇头分布；距离因子；权重系数

中图分类号：TP393.03文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)26-6222-06

Improvement and Simulation of LEACH Routing Algorithm Based on Distance Conception

JIANG Yue-tao1, PENG Rui2

(1.College of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804,China; 2. Telecommunications Col? lege CAD Center, Tongji University, Shanghai 201804,China)

Abstract：The LEACH-DB routing algorithm aims at solving the problem of huge energy consumption between the far away cluster nodes and the base station, this problem is caused by the cluster nodes election strategy of LEACH routing protocol. LEACH-DB analyses different location distributions and energy consumption situations between nodes in WSN and the base sta? tion, introduces the distance factorφand its weight coefficientα. This improvement changes the comparative location distribu? tion of cluster nodes and lowers the communication consumption, then prolongs the network lifetime. By the simulation re? searches of Matlab, the LEACH-DB can prolong the lifetime of WSN efficiently.

Key words: LEACH routing algorithm; comparative location distribution; cluster distribution; distance factor; weight coefficient

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)作为计算机网络技术、无线通信技术、传感器技术、自动化控制技术等领域发展而结合产生的产物，是当今国际上的一个研究热点。WSN中的节点具有低成本、计算能力弱、能量有限等特点，因此如何均衡其各个节点的能量消耗对于延长网络生存时间就显得格外重要。

WSN的能耗主要分为通信能耗、感知能耗和计算能耗，其中通信能耗所占比重最大[1],所以均衡通信能耗将能够有效的延长整个网络的生存时间。

LEACH[2]路由协议作为一种能量有效、基于层次结构的路由协议[3]，最早提出了分簇的思想。这种思想下，将WSN中节点分为两种类型：簇头节点(Cluster Header，简称CH)与簇成员节点(Cluster Member，简称CM)。LEACH协议在实际使用中优点十分明显，每一轮的数据通信都在少数簇头与基站之间进行，而避免了其他大多数节点直接与基站通信的情况，大大降低了这方面的通信开销；每轮以一定概率随机选取簇头也使得整个网络的能量消耗得到了较好的均衡，延长了网络的生存时间。

但同时，LEACH协议也暴露出了一些内在的弱点，协议本身所采取的随机选取簇头的策略并没有考虑到各个节点剩余能量和地理位置的具体情况。剩余能量较少或距离基站较远的簇头节点在与基站的通信过程中，消耗大量能量，最终过早死亡。而节点过早死亡的问题会随着网络运行时间的推移显得愈发严重，最终导致网络剩余生存节点也很快死亡，网络最终消亡。

论文从无线传感器网络与基站(Base Station,简称BS)之间相对位置的角度出发，分析了LEACH协议路由算法中存在的不足之处。在基于一阶无线电模型(First Order Radio Model)[1]的基础上，分析了整个WSN与BS的三种不同距离情形下的能量消耗情况，提出了一种基于距离的LEACH协议改进算法LEACH-DB (Distance Based)。通过引入距离因子及其权重系数来改变簇头的位置分布，使其与基站之间的通信能耗能够得到有效的均衡，从而到达延长WSN生存时间的目的。

1 LEACH协议

1.1 LEACH协议路由算法分析

论文基于距离的概念，对LEACH协议的路由算法进行了改进，提出了LEACH-DB路由算法。该路由算法考虑了无线传感网络中各个节点与基站之间的相对位置，并通过这种相对位置的关系来有意识的影响各个节点成为簇头的概率，从而影响了簇头的总体地理位置分布，使它们更加靠近基站，有效的减小了簇头与基站之间的数据通信开销，延长了网络的生存时间，提高了网络性能。从仿真时间的结果可知，LEACH-DB路由算法对于网络生存时间的提升，相对于LEACH协议，延长了大约25%。这是一个比较可观的提高，说明LEACH-DB路由算法是行之有效的。

论文中LEACH-DB算法并没有考虑各个节点剩余能量情况，而根据节点剩余能量的概念来均衡整个网络的能量消耗也是一个延长网络生存时间的有效手段。因此，今后的研究工作会围绕这个问题继续深入下去，以期将距离和剩余能量这两个概念结合起来，更加有效的提高整个网络的工作性能。

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