LEACH 协议的改进与仿真分析

刘静 李晖

【摘要】 在无线传感器网络（WSN）协议研究中，降低节点的能量消耗、延长网络的生命周期是路由协议设计的关键问题。针对LEACH协议的设计特点和影响因素，提出了一种改进 LEACH协议。它首先考虑节点自身剩余能量进行选举簇头，然后从每个簇中选举出能量剩余最多，位置离基站最近的节点作为候补簇头，在簇头能量不足5%时，担当数据包转发给基站的任务。仿真实验结果表明，改进后的算法比原来的协议网络生存时间延长了近70%。

【关键词】 路由协议 簇头阈值 候补簇头

引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）由成千上万个传感器节点组成，传感器节点进行持续采集监测环境中的数据，并可以实现数据融合、传输、交换等功能[1]。传感器节点体积小、功耗低，但是数据传输的准确性受带宽、传输延时、能量等因素影响，因此在进行无线传感器网络路由设计过程中，关键技术是要考虑降低节点的能量消耗，延长网络的生命周期。

一、LEACH 协议算法

在目前的路由协议中，LEACH[2]（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchical ）协议是由MIT的Heinzelman 提出的一种经典的分层路由协议，其将无线传感器网络分为几个大小均匀的簇，簇内由簇头节点和普通节点组成，普通节点将数据发给簇头，簇头将数据融合后转发给Sink，而不是节点直接将数据传递给Sink，这样就提高了能量利用效率。因为簇头能量消耗较大，而节点轮流成为簇头节点，这就使得能量消耗能够均衡地分摊到很多节点。

1.1 簇的组成

LEACH运行过程中可以用轮的概念来描述。每个轮可以分成两个阶段： 簇的建立和数据传输。在簇的建立阶段，传感器节点根据概率模型选举出簇头。每个节点产生一个0到1 之间的随机数[2]。假如这个随机数小于阈值T （n ），该节点被选举为簇头。阈值的计算公式如下：

式中，r 是轮数，p 是簇头数量比例，G 是在前r mod（1 / p） 轮没有当选簇头的节点集合。节点被选为簇头后，就向外广播自己成为簇头节点的消息，成员节点根据收到的广播信息信号的强弱选择加入到相应的簇，并向簇头发送加入簇的请求，如下图1。簇头收到请求后，将成员节点的信息加入自己的路由表中，并为每个节点设定一个TDMA分配时间表[3]。

1.2 稳定数据通信

簇建立好后，节点根据TDMA机制分配的时间间隙进行数据通信[3]。节点在自己的TDMA 时间间隙时，将采集到的数据发送给簇头节点。簇头接收数据后进行融合处理发送给sink。数据稳定通信一段时间后，重新开始组簇，进入到下一轮工作，一直循环，直到网络中的节点能量完全消耗掉。

二、LEACH的局限性

尽管LEACH能够实现节点节能和延长网络生命周期，但它还是有如下的问题：

I 选择簇头时没有考虑节点剩余能量。LEACH 协议选举簇头时的随机性可能使剩余能量低的节点成为簇头，盲簇节点的出现导致网络过早死亡[4]， 网络的负载平衡程度下降。

II 网络规模很大的时候，簇头节点给基站传输数据会很快的消耗大量能量，LEACH协议比较适合部署区域较小的网络[5]。

三、LEACH 协议的改进

3.1 簇头选择改进

在簇头选择阶段，节点的剩余能量是动态变化的，所以传感器节点定时向sink发送自己的能量剩余情况， 若节点剩余能量低于平均能量， 则降低其成为簇头的概率。因此将阈值改进成了下式

N 为节点总数，M 为节点分布区边长，dtoBS为节点到sink 的距离。然后基于节点剩余能量和距离基站位置，每个簇中选举出一个候补簇头。

3.2 对协议流程改进

在LEACH协议中，簇头负责把收集数据包并传输给基站，这就相应的增加了节点能量的消耗，特别是在大型网络中更为严重。为了解决这一问题，提出一种改进路由算法。在簇头能量将要耗尽的时候，候补簇头来担当转发数据包给基站的任务。

改进的LEACH协议工作分为3个阶段：

I选择簇头和候补簇头II簇头建立III数据传输。

I选择簇头和候补簇头阶段。簇头按照LEACH协议的方式选举，剩余能量最多和离基站最近的非簇头节点被选为候补簇头。

II簇头建立阶段。选举出簇头之后，每个簇头向成员节点广播通知信息，成员节点根据自己所收到信息的信号强度来选择加入哪个簇，然后成员节点用自己的ID传输一条确认信息给它想加入的簇头，簇头把加入自己簇的成员节点信息记录下来。

候补簇头建立方式与此非常相似。在簇头剩余能量不足5%时，候补簇头向成员节点发送接收数据包的消息，簇头将成员节点的信息发送给候补簇头，进行任务交接。候补簇头同样采用CDMA机制分配成员数据传输时隙，并将信息发给成员节点。

III数据稳定传输阶段。每个节点按照设定的TDMA 时隙把收集到的信息发送给簇头，簇头将数据进行融合后转发sink。当簇头节点能量不足5%时，候补簇头担任转达数据包的责任，这样能提高能量利用效率。

四、仿真结果及分析

本文在MATLAB 的环境中对改进路由协议进行了仿真。网络模型如下：

100 个初始能量为0.5J 的传感器节点随机的分布在100×100 m 的正方形区域内。假定它们按照定时发送的机制发送收集的数据并且不会自己移动。基站在（x=50，y=50）的位置。当节点的剩余能量为0J 时，则认为其死亡。

考虑到簇头既要融合簇内数据又要转发数据包，从而导致能量消耗太快，利用候补簇头分担簇头的任务，使网络中的节点能耗均衡，以此达到提高每轮簇稳定数据通信时间，进而延长网络的生存时间。使用matlab对改进后的LEACH协议进行仿真，结果表明改进的LEACH 延长了网络生存时间近70%。

参 考 文 献

[1] 邓亚平，邓利军.无线传感器网络的能量有效加权分簇算法[J].计算机工程与设计，2011（4） ： 1216-1219.

[2] Heinzelman W B，et al.An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Trans on wireless Commumications，2002，1（4）：660-670.

[3] BAI F，WANG L，MA Y，et al.Algorithm analysis of routing protocols-LEACH for wireless sensor networks [J].Journal of Taiyuan University of Technology，2009，40（ 4） ： 248 - 252.

[4] 胡钢，谢冬梅，吴元忠.无线传感器网络路由协议LEACH 的研究与改进[J].传感技术学报， 2007， 20（6）： 1391-1396.

[5]Mahmoud M.salim，Hussein A.Elsayed，Salwa H.El Ramly . PR-LEACH：Approach for Balanceing Energy Dissipation of LEACH Protocol for Wireless Sensor Networks.31st National Radio Science Conference（NRSC2014）.