一种能量均衡的WSN分簇算法

王亭 王莹莹 陈晓磊

【摘要】 针对WSN能耗进行研究，在簇头选择过程中利用节点的能量、邻节点数以及簇头数等参数设置节点当选簇头的优先度；在簇的组建过程中利用能量参数设置簇的重建条件，达到减小簇的重建频率的目的，有效地防止网络中热点问题的出现。

【关键字】 WSN LEACH 分簇机制

一、引言

在WSN的研究中，良好的分簇机制能有效实现路径的选择及资源管理，减少节点维护拓扑和广播数据的能耗 [1]。目前针对LEACH的研究正在深入。

Kim等人提出使用代理簇头，当数据传输的能耗大于阈值时，则采用代理簇头进行数据传输，保证数据传输过程的准确性，其中，代理簇頭为距离簇头最近的且能量最高的节点[2]。

Ma Chaw Mon Thein等人提出利用节点的当前能量与初始能量以及簇头的个数影响阈值，保证簇头有足够的能量完成网络的运行（简称为“Kopt算法”）[3]。目前关于LEACH算法的改进已经取得显著的成就，但在网络能量的均衡分布以及能量利用率方面有待提高。

二、算法的改进

针对目前分簇算法存在的问题，改进算法利用节点的能量、邻节点数、网络中簇头的个数以及节点间的距离等，针对簇头的选择提出改进方案，达到延长网络寿命的目的。

2.1 簇头选择

利用节点的当前能量、初始能量以及每一轮簇头个数影响，选出候选簇头，然后计算每个节点的邻节点数，及节点的邻节点数的平均值，在时，将此节点选为簇头。其中阈值计算方法如下所示：

2.2 簇的重建

网络以轮的方式运行，每轮开始前，对当前簇内的能量以及簇头能量进行比较，当簇内节点总能量满足所需值，且SCH.E≥Eth则说明簇内的节点能够保证下一轮的网络运行，则网络直接进入网络的数据传输阶段。反之则进入簇头的重新选择以及簇的重建阶段。其中，第r轮节点的能量阈值Eth的计算公式如下：

2.3 算法分析

在LEACH算法的基础上，采用新型的簇头选择机制保证节点能量负载的均衡化，同时通过对簇的重建条件的设置降低了网络的拓扑的变化频率，使网络能量得到有效利用。该算法的优点主要有：

（1）降低簇的重建次数；通过对网络能量阈值的设置，在簇节点以及簇头的能量不能保证网络下一轮运行时重新构造簇，降低网络的重建频率，减少构造簇消耗的能量，有效的延长网络的寿命。

（2）簇头的选择不完全是随机的；在保证节点有相同的机会当选簇头的前提下，根据每轮节点的剩余能量、邻节点数等参数设置其当选簇头的优先度；以使簇头均匀的分布在网络中，避免剩余能量低的节点作为簇头，有效的防止网络空洞的出现。

三、仿真实验

本文对改进算法和LEACH、Kopt算法进行了仿真和性能比较。实验显示，LEACH、Kopt算法、改进算法的第一个节点死亡（FND）分别为133、205、194，一半节点死亡（HND）为402、511、1077、全部死亡（LND）为1087、1294、大于1500。由此可见，三种算法FND时间差不多，改进算法可以显著地延长网络HND、LND的死亡时间，即随着网络运行时间的增加，使用改进算法的网络与使用LEACH、Kopt算法的网络相比，不仅可以使簇头均匀的分布在网络中，使能量消耗均匀的分布在各节点上，达到平衡网络负载的目的，使网络的能量得到均衡的利用，而且有效地提高能量利用率，显著的延长网络寿命。

四、结束语

本文针对LEACH算法进行改进，针对簇头选择提出改进方案，使网络中簇头的分布更加均匀，有效地降低了网络拓扑的重建频率，网络的能量利用率更加高效。

参 考 文 献

[1] Kumarawadu P et al. Algorithms for Node Clustering in Wireless Sensor Networks： A Survey [C].Information and Automation for Sustainability， 2008： 295 – 300.

[2] K.T. Kim， et al. An Energy Efficient Routing Protocol in Wireless Sensor Networks”. International Conference on Computational Science and Engineering， pp.132-139， 2009.

[3]Ma Chaw Mon Thein.et al An Energy Efficient Cluster-Head Selection for Wireless Sensor Networks [C].Intelligent Systems， Modelling and Simulation， 2010： 287 - 291.