一种LEACH 协议的改进方法

李 辉，彭珍瑞，董海棠

(兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

无线传感器网络作为目前研究领域的前沿，集合了无线通信技术、分布式计算技术和传感器技术等，充分体现了多学科交叉融合［1］。无线传感网络中存在着大量的有感知、运算和数据传输功能的网络节点，进行实时监测和采集数据信息，并将这些信息通过无线方式利用自组织的多跳网络传送到基站［2］。鉴于无线传感网络多适用于不利布线及较为恶劣应用环境，多数无线传感网络中节点采用电池供电，能量供给有限［3］。因此，无线传感网络的网络协议中如何节能便成为了目前研究的重点。

低功耗自适应集簇分层型协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)作为第一个应用于无线传感网络的分簇算法，在其基础上衍生了众多分簇路由协议［4］。分簇的基础是在网络中，将所有节点划分为多个簇，每个簇中均有一个簇头(Cluster Head)，簇中的其他节点被称为簇成员(Cluster Member)，簇头接收簇成员送来的采集信息，进行数据融合，并送到基站节点［5］。LEACH 协议就是通过上述这种数据融合及数据转发机制，从而减少了数据的传输量和传输距离，以达到节能的目的。由于LEACH 协议在选取簇头节点时存在随机性，使得分簇不均，从而导致网络中通信能耗不同，造成节点能量分布不均，影响网络寿命。对于这一问题，从簇头选取的方面进行改进，达到延长网络寿命的目的［6－8］。

1 LEACH 协议

1.1 LEACH 协议的简介

LEACH 协议是由Heinzelman 首先提出应用于无线传感网络的第一个分簇算法，协议成簇如图1 所示。

图1 LEACH 协议成簇

在LEACH 中，与普通节点相比，簇头节点需承受数据融合及转发的双重任务，能量负载较高，且消耗较快。所以为了平衡网络节点间的能耗，同时避免簇头节点的过早死亡，采用周期性选取簇头的方法，定义“轮”(Round)的概念，即每轮选取一次簇头，而每轮又由簇准备阶段与稳定阶段组成，簇准备阶段的时间和稳定的时间总和称为一轮。

在簇头选取准备阶段开始时，每个传感器节点均会随机产生一个(0，1)之间的随机数与阈值T(n)相比较，若随机值小于阈值则该节点当选为簇头，T(n)的计算公式如下

其中，p 是网络中簇头个数所占的比例;r 为当前轮数;集合G 是指在最后1/p 轮选取中还未被选做簇头的节点;n 指传感节点的数量，通过这样的算法保证在1/p轮里节点选择的唯一性。

任意节点会在自身被确定为簇头节点后，主动向网络中广播成为簇头的信息。而未被选择为簇头的节点根据接收到的信息选择合适的发送簇头作为自己的加入簇，节点选择簇首的原则是根据信号强度，加入接收信号强度最大的簇头。之后为了减少数据传输冲突，簇头节点会建立TDMA 调度机制。而在稳定阶段，簇内成员在自己被分配到的传输时间内，将数据发送给簇头，簇头节点将同时承担数据融合及转发的任务，并最终传输到基站。由此一轮结束，则进行下一轮的簇头选择。

1.2 LEACH 协议的能耗模型

LEACH 协议中的能量消耗模型如图2 所示。

图2 能量消耗模型

发送装置发送l 比特数据信息到相距为d 的接收装置所消耗的能量如式(2)所示。

接收l bit 数据信息的能量消耗如式(3)所示

1.3 LEACH 的缺陷

LEACH 协议随机选取簇头，簇头在网络中的分布位置是随机的，建立簇时可能会出现不合理的分簇，导致簇头分布过于集中或分布于网络边缘的情况，各簇中的节点数量分布不均，簇头与簇内节点的通信距离过远，从而消耗不必要的能量。

2 LEACH 协议的改进

2.1 改进的依据

LEACH 协议中并未提出如何将簇头节点平均分布在整个网络中。因此，簇头节点有可能集中出现在某一区域或一些节点的周围又未分布任何簇头节点，致使网络中能耗分布的不均匀，如图3 所示。图为建立100 m×100 m 的网络模型中，根据LEACH 协议，随机选取生成的簇。从图中可看出，由于簇头选取的随机性，在建立的模型中，左上大片区域分属一个簇，而有的簇内成员较少。

图3 不均匀的网络分布

针对原LEACH 协议中，簇头选取的随机性，提出一种对簇头选取方法的改进，充分考虑簇头分布的平均。在随机生成簇头节点后，对簇头节点间的距离进行比较并要求大于设定的阈值，以确保簇头的分布不会过于集中。通过这一方法达到平衡网络中能量的分布。

同时在阈值选取中，阈值S 不能过大或过小，若过小达不到平衡簇头节点的目的。改进方法中簇头在选取时通过随机生成的网络分布中挑选出合理的簇头分布。所以，阈值S 选取过大，会导致网络在簇头的选取中消耗更多的能量，浪费在广播信息。通过实验对比，将阈值S 设定为检测范围距离的1/10。

2.2 簇头的确定

(1)首先如LEACH 协议相同，随机生成簇头节点。

(2)当簇头i 节点确定后，向整个网络发送簇头信息，包括自身位置信息，当簇头i 同时接收到其他簇头发送来的位置信时，可计算簇头i 与其他簇头之间的距离

(3)设定阈值S，其值与建立的模型大小相关，当距离Hi＜S，则确定簇头i 为该轮选取的簇头，若距离Hi＞S，则返回步骤(1)，重新进行簇头选取。

该方法的流程如图4 所示。

图4 算法流程图

3 Matlab 仿真

建立含有100 个节点，100 m×100 m 的监测区域模型，对该网络模型分别用原LEACH 协议和改进后的LEACH 协议进行Matlab 仿真，具体参数设定如表1所示。

表1 参数设定

改进后协议簇头节点分布如图5 所示。

图5 均匀的网络分布

剩余能量如图6 所示。

图6 剩余能量图

由仿真结果可知，改进后的协议能更好地平衡节点在网络中的分布，并延长了网络寿命。

4 结束语

论文介绍了LEACH 协议，针对其在簇头选取上存在的随机性，提出了一种对簇头选取的改进，有助于网络分簇的平衡。同时通过仿真证明，此方法有利于平衡网络中的能量分布，并延长网络寿命。

但在该种簇头选取方法中，因出现了额外广播簇头的信息，浪费了网络能量，所以接下来会考虑新的簇头选取算法，将能耗降至最低。

［1］ HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALKRISHNAN H.Energy－efficient communication protocol for wireless microsensor net－works［C］.Proceeding of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences，2000.

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

［3］ CHENG Chitsun，CHI K T，FRANCIS C M L.A delay－aware data collection net－work structure for wireless sensor networks［J］.IEEE Sensors Journal，2011，11(3):699－710.

［4］ MRS A A，MS V M.An extended vice－cluster selection approach to improve v leach protocol in WSN［C］.2013 Third International Conference on Advanced Computing＆Communication Technologies，2013:236－240.

［5］ CHRISTIAN A，SONI H.Lifetime prolong－ing in LEACH protocol for wireless sensor networks［C］.2013 International Conference on Intelligent Systems and Signal Processing(ISSP)，2013:350－355.

［6］ 周洁，石志东，张震，等.WSN 中一种基于LEACH 协议的改进算法［J］.上海大学学报:自然科学版，2013，19(2):116－119.

［7］ 蔡悦洁，胡方明.一种基于LEACH 路由协议的改进算法［J］.电子科技，2012，25(8):128－131.

［8］ 韦宏利，方玉杰.LEACH 协议算法改进及仿真［J］.西安工业大学学报，2010，30(6):570－573.