改进型LEACH协议的差异化分簇的研究

崔春莉

(太原旅游职业学院，山西太原030032)

目前，无线传感器覆盖问题主要分为定性覆盖和随机覆盖两种，在定性覆盖中，研究的主要对象是如何使用最少的节点对目前的环境进行覆盖;随机覆盖研究的是采用随机部署的方式来对目前环境进行检测。文献［1］中描述了Howard等人将势场理论应用在传感器网络上，通过假设虚拟场和虚拟受力来进行网络的优化。文献［2］中讨论了如何利用节点的覆盖冗余来延长网络生存时间。

根据文献［3］的LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议，能够较好地解决能量负载的均衡问题，平衡各个节点的能量，达到降低网络资源消耗的目的，从而有效合理地提高网络的生存使用时间。但在实际的应用中，并不是所有的传感器网络的性能都是很好的，其中，一些传感器网络存在一定的差异性，这是因为出现了有一些区域的数据比较多，称为“热点区域”。任务是能够及时地发现目标，检测目标;另一些区域的数据非常非常少，甚至是零，这些区域称为“非热点区域”。主要的任务是负载监听。导致产生这样的原因是因为簇的分布不够理想的原因，针对这样的情况，本文提出了一种改进的LEACH协议，可以解决网络上区域分布的问题，从而来解决传感器的生存周期问题。

1 改进型LEACH分簇路由算法描述

1.1 系统模型

假设有一个检测区域是一个二维平面，考虑到实际网络中的节点密度比较大，本文做了如下假设:

(1)假设传感器网络为非动态网络;

(2)无线传感器网络中的各个节点具有两个参数，一个是感知半径R1，一个是通信半径R2，具有R2≥3R1条件来保证网路通信的连通性;

(3)网络中所有的节点都随机地部署在监测区内，能保证各个节点能够获得自身和相邻节点的位置信息。

根据以上的假设，我们将在热点区域中，采用进一步的细化的过程，有效地检测目标，精细化分簇区域，这样可以更加准确地检测目标的出现。

1.2 改进型的LEACH算法分析

改进型的LEACH算法采用的通信方法是与LEACH一样的方式，但是改进型LEACH更多的是从区域的差异性，区域的对称性的角度出发。

1.2.1区域的差异性

在“热点区域”中，传感器接受到的数据比较多，而节点对于接受的数据要进行处理，在处理的过程中，不断有新的数据进入到热点区域中，这就导致了节点的承载能力不断增加，就容易造成时间上的网络延迟，从而消耗了时间和能量。在“非热点区域”中，传感器节点需要接受的数据相对与“热点区域”来说，节点接受的数据量比较小，“非热点区域”中的数据承载的传输压力小。

1.2.2簇首选择的均匀性

在无线传感的分簇路由中，对于簇首部的选择是非常重要的，改进型的LEACH协议充分考虑了簇首部分布不均匀的问题。在这个情况的基础上，提出了2个方面的假设:(1)合理将阈值增大，(2)合理调整通信半径的大小。

(1)阈值增大

改进型的LEACH协议主要有改变候选簇首。在无线网络中，选候选簇首主要是通过增加节点的数目来决定节点的概率，在每一次的候选簇首中，次数设定为2k，LEACH协议中当选簇首的最大数目为k。增大阈值P(t)计算公式如下:

其中，N为节点的总数;k为LEACH协议的最佳分簇数;t为轮次数;令f(t)=1表示节点i是否在最近的轮当选过簇首。通过调整k的值来增加阈值。

(2)合理调整相应的半径

从前面的描述中可以发现，通信半径R2是一个非常重要的因素，那么在“热点区域”中的半径是R2/2，非热点的半径是R2。在进行调整半径时，将“热点区域”中的半径设置为(R2/3，R2/2)，这是因为候选簇首节点处于这个半径之内可以保证节点不至于过于拥挤，从而保持簇首能够均匀分布。

(3)簇首能量分析

改进型的LEACH协议在进行实现的过程中，由于“热点区域”的数据通信量的原因，采用比较大的簇首的时候，通信距离会比较长，能够消耗小。处于这些因素的考虑，采用比较小的簇首，这样保证通信距离缩短，能量消耗比较小。同样，对于“非热点区域”也是同样类似的情况。

1.2.3改进型LEACH协议算法流程分析

1.2.3.1 算法描述

假定系统的簇首阈值为P(t);节点i通信半径为Ri，能量为 Ei。节点状态集合:NS={nor，can，clu-head，fin-head}分别标识节点是普通节点、候选簇首节点、簇首节点和做过簇首的普通节点。候选簇首节点集合ML={C1，C2，…Cn}，最终簇首节点的集合FinML={Ch1，Ch2，…Chn}。分为如下阶段:对于任意传感器节点xi，执行如下算法:

(1)选举候选簇首部节点

(2)选取正式簇首部节点

1.2.4节点状态转换

在簇首部的节点进行选择时候，开始节点的状态都是普通节点，通过在一定的转换条件下，节点之间的转换变成了不同的状态。

2 仿真实验

2.1 实验方案

在平台上对改进型前后的LEACH协议进行仿真。假设之前使用的随机部署的传感器网络，将通信半径进行了合理性的调整。设置仿真实验的环境为:网络检测区域为10m*10m，每一个无线传感器的节点的感知半径是1m，在Matlab7.0环境下，采用主频为2.2GHz的计算机进行仿真的网络覆盖优化。根据检测区域的面积以及传感器的参数，在检测区域内固定位置上放置100个传感器节点，采用和LEACH协议相同的能量模型:节点的初始能量为4J，传输能量:esle=100nJ/bit，efs=10pJ/bit/m2，emp=0.0010pJ/bit/m4，数据融合消耗能量EPA=5nJ/bit/signal。假设热点和非热点区域的分布以直线y=kx+b为分界线。曲线上方为“热点区域”，下方为“非热点区域”。

2.2 仿真实验分析

(1)平均剩余能量对比:实验得到的数据表明改进后LEACH协议在运行过程中的平均剩余能量比LEACH协议剩余的要多。仅从能量消耗方面看，改进型的LEACH可降低网络消耗，延长网络生存期。

(2)平均簇首数对比:实验得到的数据表明，改进型的LEACH平均簇首数要小于LEACH协议，伴随着节点数的不断增大，当节点数增加200节点的时候，改进型LEACH平均簇部首数与LEACH基本持平。当节点数增加到400时，改进型的LEACH协议平均簇首数已经超过了LEACH协议簇首了。改进后的LEACH协议的簇首的密度越大，效果就越趋理想化。

(3)不同密度下节点死亡轮数对比:实验得到的数据表明，节点数为300时，LEACH协议死亡时的轮数为5800，改进型的LEACH协议死亡时的轮数为7300左右。改进后的LEACH协议的最后一个节点死亡时候的轮数要高于LEACH协议，它从一定程度上延长了网络的存在的时间。

3 结束语

通过仿真实验的效果来看，改进的LEACH协议的路由算法能降低能耗，延长网络寿命。该算法通过传感器节点选择簇首时考虑剩余能量和对通信半径大小的控制，用来区分热点、非热点执行不同的路由算法，从而可以更好地来实现无线传感网络路由算法的实现。

［1］How and A，M ataric M J Sukhatme G S Mobile Sensor Network Deployment Using Potential Fields a Distributed.Sealable Lolution to the Area Coverage Problem［A］.The 6th internation Conference on Distributed Autonom ous Robotic System s［C］.Fukuoka Japan Springer－ Verlag 2002 299－308.

［2］SLIJEPCEVIC S，POTKON JAK M.Power Efficient Organization of Wireless Sensoer Networks［C］//Proc of Intermational Conference on Communications Helsink i IEEE Comuntiaon Society，2001:472 －476.

［3］崔艳荣，李克清.传感器网络中基于蚁群优化的数据查询协议［J］.软件学报，2010(4):225－233.