无线传感器网络LEACH协议的分析

刘长江 梁京章 侯媛元

（1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；2.广西大学计算机网络中心，广西 南宁 530004；

无线传感器网络LEACH协议的分析

刘长江1梁京章2侯媛元1

（1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；2.广西大学计算机网络中心，广西 南宁 530004；

在无线传感器网络中降低节点能耗，延迟网络生命周期是其研究的重点。现有分层路由协议中存在着簇首节点能耗分布不均，簇首与节点、基站间距离分布不均等问题；基于LEACH协议的思想提出一种改进的分层路由协议(M-LEACH)，它考虑了簇首当前剩余能耗的因素，仿真结果表明能有效的延迟网络生命周期。

无线传感器网络；簇首选择；LEACH协议

1 引言

无线传感器网络是集微机电系统、传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。在传感器网络中节点负责接收，处理和传输数据，而节点的能量有限且不易更换嵌入式的电池。因此如何减少节点的能量消耗，延迟网络寿命，是设计无限传感器网络的重要目标。

当前的无线传感器网络路由协议主要分为平面路由协议和分层路由协议，但平面路由协议由于其自身的局限性并不能很好的适应无线传感器网络的发展，所以分层路由协议是目前研究的普遍方向。LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是无线传感器网络中较早提出的分簇路由协议，他根据先验的最佳概率周期性性地选出簇首，创建能源负载动态分布的簇群，每个节点往往随着时间推移消耗基本相同的能量，这样避免了簇首节点因能量消耗尽而过早进入死亡状态，从而达到延长网络生命的目的。

本文针对LEACH协议做主要研究，提出一种改进的LEACH协议，通过改进其簇首的选择阀值函数，在节点组成簇群时考虑被选簇首节点剩余能量和簇内节点及距基站的距离。仿真结果显示，新的簇首选择函数能够很好的平衡网络中节点的能耗分布，延迟网络的寿命。

2 相关研究

LEACH协议是MIT学者Heinzelman等人为无线传感器网络设计的低能耗自适应聚类路由算法，这种成簇思想贯穿于其后发展的很多分簇路由协议中，如TEEN(threshold sensitive energy efficient sensor network protocol)，HEED(hybrid energy-efficient distributed clustering)等。LEACH协议节能的基本思想是通过等概率周期性的随机选择簇首，将整个网络的能量负载均衡地分配到每个传感器节点中，从而降低网络能量消耗。LEACH协议使用“轮(Round)”的概念，每一轮包括建立阶段和稳定阶段。建立阶段是簇的形成和路由数的建立，稳定阶段是数据传输阶。

在建立阶段，传感器节点随机地生成一个0至1之间的随机数，如果生成的随机数小于阀值T(n)，则该节点当选为簇首。阀值T(n)的计算公式为：

其中p为簇首节点占所有节点的百分比，即节点当选簇首的概率；r为当前循环轮数，r mod(1／p)代表这一轮循环中当选过簇首的节点个数，G是在这一轮循环中未当选簇首的节点集合。

在这里需要强调的是：T(n)的算法是基于两个前提假设才能达到每个节点平均消耗能量的预期目标：(1)每个节点的初始能量均等，(2)每个节点担任簇首期间消耗的能量均等。显然假设(2)不符合现实。另外T(n)没有考虑节点剩余能量这一关键因素，不可避免的浪费一些本可节省的能量。

在稳定阶段，节点在收到簇首节点的广播后，组成簇并且开始通信。簇内节点将所采集的数据信息，在给定的时间间隙内传送到簇首。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇群的建立阶段，进入下一轮的簇首选出，不断循环。

目前LEACH协议常用的节点通信能量模型如下：

图1

在这里

其中，d为通信距离，d0为临界通信距离，k为发送比特数。Eelec为发射机或者接收机处理单位比特消耗的能量，εfs，εamp为发射机发送单位比特距离消耗的能量。从上面来看，d也是影响节点能耗的因素，所以LEACH容易形成簇首与节点，簇首与基站间通信距离分布不均衡。

虽然如此，但LEACH协议依然是一个典型的分簇路由协议。LEACH-C(LEACH-centralized)和LEACH-F(LEACH-fixed)就是在其基础上提出的两种集中式簇首产生算法。

文献[2]中LEACH-C根据全局信息挑选簇首，它要求只有能量高于网络平均剩余能量的节点才有可能成为簇首。为了评估网络剩余能量的平均值和优化簇首的选择，每个节点需要与基站直接通信来汇报自身的位置和能量信息。基站根据所有节点的报告计算平均能量，当前能量低于平均能量的节点不能成为候选簇首。从剩余候选节点中选出合适数量和最优地理位置的簇首，因此算法需要消耗较多的通信能量。

文献[3]中LEACH-F簇的形成与LEACH-C一样，在簇的形成阶段将网络中所有节点分为几个固定的簇群，每个簇分配一个固定的成一个簇首列表，其作用是在每轮结束后，根据列表指示簇内节点轮流当选簇首。当簇群形成之后，整个网络的簇的结构就不再改变，簇内节点根据簇首列表依次成为簇首。LEACH-F最大的优点是无需每轮循环都构造簇，减少了构造簇的开销。很明显LEACH-F在现实网络应用中并不适用，不能动态处理节点的加入、失败和移动，而且还增加了簇间的信号干扰。

3 M-LEACH的基本思想

由于在LEACH中，簇首的选择过程没有考虑到节点的剩余能量，这使得选出的簇头不一定是最佳簇头，一旦选择能量剩余很少的簇首，必将浪费网络中本可节省的能量。考虑到这个问题，提出调整簇首阀值T(n)的计算方法：

其中En_current表示节点当前剩余的能量，而En_max表示

节点的初始能量。通过改进使得能量消耗较低的节点当选簇首的概率增大。该节点算法在LEACH基础上能有效改善网络的生命周期，提高了网络的健壮性，使得簇头的选取更为合理。

4 实验仿真

利用MATLAB进行仿真，并与LEACH作比较。假定网络中100个节点随机分布在(x=100，y=100)的二维平面范围内，所有节点的初始能量相等，每个节点的E0=5J，基站的位置为(x=60，y=165)处。并且设定节点接收或发送数据需要消耗的能量为Eelec=50nJ/bit。

其中取εamp=0.0013pJ/(bit•m4)，εfs=10pJ/(bit·m2)。所有节点一旦放置就不能再移动，节点死亡发生在其剩余能量与初始能量比例为0.0l时。

在LEACH协议中，簇首节点数量设定为总数量的5%，这个数值并不是最优值。在分簇网络中，簇首数量和网络的拓扑结构、节点分布状态等有一定关系。在节点服从均匀分布的情况下，最优值

其中取N=100，M=100。节点随机分布如下：

图2

图3

图4

经过仿真，图2显示了M-LEACH和LEACH协议下网络中存活节点数目的对比，可以看出随着时间的推移，存活节点数目中M-LAECH优于LEACH。这表明改进的协议再加入了当前节点的剩余能量因素后可以使网络的能耗负载很好的均衡，网络中簇首的分布更加均匀。

图3则展示了网络中能量剩余情况，很明显随着随着能量的逐渐消耗，M-LEACH中存活的节点数目明显高于LEACH。这反映了新的协议使网络节点的总能耗降低，从而延长了网络的生命周期。

5 结束语

本文对LEACH协议进行了深入的分析，借鉴现有的思想，在LEACH不足处考虑的基础上，将节点的初始能量及剩余能量考虑进去，提出了新的M-LEACH协议，并建立仿真实验，仿真结果表明新的M-LEACH协议有效的均衡了网络的能量负载，延迟了网络的寿命。

[1] Heinzelman W, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks. In Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences. Maui: IEEE Computer Society,2000, Vol.2:3005-3014.

[2] Jichuan Zhao, Ahmet T. Erdogan and Tughrul Arslan. A Novel Application Specific Network Protocol for Wireless Sensor Networks. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, May 2005, Vol. 6:5894-5897.

[3] Heinzelman W.An application-specific protocol architectures for wireless networks[D].Boston: Massachusetts Institute of Technology,2002.

[4] 张伟华,李腊元,等.无线传感器网络LEACH协议能耗均衡改进[J].计算机应用,2008,21(11):1918-1922.

[5] 魏伟,史浩山,等.传感器网络分层多路径路由协议[J].传感技术学报,2007,20(6):1353-1361.

The analysis of LEACH protocol in wireless sensor networks

In the research of wireless sensor networks, cluster-based routing protocols and the delaying of the network life cycle is the focus of the research. There is uneven distribution of the cluster head and node energy consumption in the existing hierarchical routing protocol, the cluster head and node, the distance between base stations uneven distribution and other issues; Based on the idea of LEACH protocol, an improved hierarchical routing protocol (M-LEACH) it takes into account the cluster head of the current residual energy consumption factors,simulation results show that the effective delay of the network lifecycle.

wireless sensor networks; cluster head selection; LEACH protocol

TP393

A

1008-1151(2012)06-0066-03

2012-04-04

刘长江，广西大学电气工程学院研究生 。