蔣悅濤 彭瑞

摘要:針對LEACH路由協(xié)議隨機選取簇頭，導(dǎo)致距離基站較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點能量開銷較大的問題，提出了一種基于距離的改進LEACH路由算法LEACH-DB。LEACH-DB分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與基站相對位置分布，以及兩者之間能量開銷情況，在原LEACH協(xié)議路由算法中引入距離因子φ及其權(quán)重指數(shù)α，從而改變網(wǎng)絡(luò)中簇頭的位置分布，降低簇頭與基站之間的通信開銷，網(wǎng)絡(luò)生存時間得到延長。經(jīng)過Matlab仿真，該算法有效的延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間。

關(guān)鍵詞：LEACH路由算法；相對位置分布；簇頭分布；距離因子；權(quán)重系數(shù)

中圖分類號：TP393.03文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)26-6222-06

Improvement and Simulation of LEACH Routing Algorithm Based on Distance Conception

JIANG Yue-tao1, PENG Rui2

(1.College of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804,China; 2. Telecommunications Col? lege CAD Center, Tongji University, Shanghai 201804,China)

Abstract：The LEACH-DB routing algorithm aims at solving the problem of huge energy consumption between the far away cluster nodes and the base station, this problem is caused by the cluster nodes election strategy of LEACH routing protocol. LEACH-DB analyses different location distributions and energy consumption situations between nodes in WSN and the base sta? tion, introduces the distance factorφand its weight coefficientα. This improvement changes the comparative location distribu? tion of cluster nodes and lowers the communication consumption, then prolongs the network lifetime. By the simulation re? searches of Matlab, the LEACH-DB can prolong the lifetime of WSN efficiently.

Key words: LEACH routing algorithm; comparative location distribution; cluster distribution; distance factor; weight coefficient

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)作為計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動化控制技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展而結(jié)合產(chǎn)生的產(chǎn)物，是當(dāng)今國際上的一個研究熱點。WSN中的節(jié)點具有低成本、計算能力弱、能量有限等特點，因此如何均衡其各個節(jié)點的能量消耗對于延長網(wǎng)絡(luò)生存時間就顯得格外重要。

WSN的能耗主要分為通信能耗、感知能耗和計算能耗，其中通信能耗所占比重最大[1],所以均衡通信能耗將能夠有效的延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

LEACH[2]路由協(xié)議作為一種能量有效、基于層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議[3]，最早提出了分簇的思想。這種思想下，將WSN中節(jié)點分為兩種類型：簇頭節(jié)點(Cluster Header，簡稱CH)與簇成員節(jié)點(Cluster Member，簡稱CM)。LEACH協(xié)議在實際使用中優(yōu)點十分明顯，每一輪的數(shù)據(jù)通信都在少數(shù)簇頭與基站之間進行，而避免了其他大多數(shù)節(jié)點直接與基站通信的情況，大大降低了這方面的通信開銷；每輪以一定概率隨機選取簇頭也使得整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗得到了較好的均衡，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

但同時，LEACH協(xié)議也暴露出了一些內(nèi)在的弱點，協(xié)議本身所采取的隨機選取簇頭的策略并沒有考慮到各個節(jié)點剩余能量和地理位置的具體情況。剩余能量較少或距離基站較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點在與基站的通信過程中，消耗大量能量，最終過早死亡。而節(jié)點過早死亡的問題會隨著網(wǎng)絡(luò)運行時間的推移顯得愈發(fā)嚴(yán)重，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)剩余生存節(jié)點也很快死亡，網(wǎng)絡(luò)最終消亡。

論文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與基站(Base Station,簡稱BS)之間相對位置的角度出發(fā)，分析了LEACH協(xié)議路由算法中存在的不足之處。在基于一階無線電模型(First Order Radio Model)[1]的基礎(chǔ)上，分析了整個WSN與BS的三種不同距離情形下的能量消耗情況，提出了一種基于距離的LEACH協(xié)議改進算法LEACH-DB (Distance Based)。通過引入距離因子及其權(quán)重系數(shù)來改變簇頭的位置分布，使其與基站之間的通信能耗能夠得到有效的均衡，從而到達(dá)延長WSN生存時間的目的。

1 LEACH協(xié)議

1.1 LEACH協(xié)議路由算法分析

論文基于距離的概念，對LEACH協(xié)議的路由算法進行了改進，提出了LEACH-DB路由算法。該路由算法考慮了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點與基站之間的相對位置，并通過這種相對位置的關(guān)系來有意識的影響各個節(jié)點成為簇頭的概率，從而影響了簇頭的總體地理位置分布，使它們更加靠近基站，有效的減小了簇頭與基站之間的數(shù)據(jù)通信開銷，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。從仿真時間的結(jié)果可知，LEACH-DB路由算法對于網(wǎng)絡(luò)生存時間的提升，相對于LEACH協(xié)議，延長了大約25%。這是一個比較可觀的提高，說明LEACH-DB路由算法是行之有效的。

論文中LEACH-DB算法并沒有考慮各個節(jié)點剩余能量情況，而根據(jù)節(jié)點剩余能量的概念來均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗也是一個延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的有效手段。因此，今后的研究工作會圍繞這個問題繼續(xù)深入下去，以期將距離和剩余能量這兩個概念結(jié)合起來，更加有效的提高整個網(wǎng)絡(luò)的工作性能。

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