涂 樸 趙全軍

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多跳路由機制的改進LEACH路由協(xié)議研究

涂 樸1趙全軍2

1.四川文理學(xué)院達州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，四川 達州 635000 2.四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院，四川 達州 635000

選擇LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch）協(xié)議為重點研究目標。對LEACH協(xié)議做了兩點改進：一是對簇頭選舉時的門限值進行了優(yōu)化；二是引入了簇頭多跳路由機制。最后通過仿真證明了改進方法的有效性，在節(jié)省能量消耗和BS的吞吐量性能方面有了明顯的改善。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；能量損耗；吞吐量

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由低成本，低功率，尺寸小并且具有自組織網(wǎng)絡(luò)的一種短距離傳輸傳感器采集的小流量數(shù)據(jù)。因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量問題、通信傳輸協(xié)助問題、數(shù)據(jù)融合的安全問題等就顯得尤為重要。如何設(shè)計出高效節(jié)能的路由協(xié)議來延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題之一。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)截然不同的。其路由協(xié)議設(shè)計是很具挑戰(zhàn)性的。本文選擇LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch）協(xié)議為重點研究目標[1]。它的基本思想是協(xié)議選擇簇頭節(jié)點時，采用隨機循環(huán)地動態(tài)方式，這樣做的目的是希望達到將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。

1 LEACH協(xié)議

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的LEACH協(xié)議需不斷地循環(huán)執(zhí)行簇重構(gòu)。每個重構(gòu)過程分成兩個階段：簇的建立階段和網(wǎng)絡(luò)簇傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。這兩個階段需要穩(wěn)定階段的持續(xù)時間長于建立階段的持續(xù)時間，這樣以便于節(jié)省資源開銷。

在簇建立階段，將所有節(jié)點劃分為若干簇，每個簇選舉一個首領(lǐng)。每個節(jié)點選取一個介于0和1之間的隨機數(shù)。如果這個數(shù)小于計算出來的門限值，該節(jié)點成為簇頭領(lǐng)。網(wǎng)絡(luò)各個未成為簇頭的節(jié)點判斷自身是否成為簇頭，若節(jié)點成為簇頭，再向網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點廣播自己成為簇頭的消息；根據(jù)收到廣播信號的強弱，每個節(jié)點決定加入哪個簇，然后節(jié)點將決定加入簇頭的信息發(fā)給簇頭。簇頭采用TDMA方式為每個節(jié)點分配時隙并告知節(jié)點，節(jié)點可以在指定的時隙內(nèi)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，進入簇穩(wěn)定階段。

在LEACH協(xié)議簇穩(wěn)定階段，簇頭聚合簇內(nèi)節(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)直接傳輸給BS，這種一跳路由這種機制雖然減少了網(wǎng)絡(luò)時延，但簇頭消耗能量過大。而且有些簇頭節(jié)點距離BS近，有些簇頭節(jié)點距離BS遠，這就導(dǎo)致了不同的簇頭節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)所消耗能量的差異，離BS遠的節(jié)點由于消耗比較大的功率而導(dǎo)致生存時間減短。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，除了要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的平衡消耗外，更要求整體能量消耗最少。

2 LEACH協(xié)議改進方案

2.1 對LEACH協(xié)議簇形成階段的改進

研究表明，簇頭在LEACH協(xié)議中的作用比較重要。由于它要消耗較多的能量，因此LEACH協(xié)議選擇簇頭節(jié)點時，采用隨機循環(huán)地動態(tài)方式，這樣做的目的是希望達到將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中。因此，本文從判決門限值值入手，改進方案如下：

2.2對LEACH協(xié)議簇穩(wěn)定階段的改進

傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在兩種能量損耗模型的：一種是Friss free space model（發(fā)送方和接收發(fā)距離小于界限值時），一種是Two-Ray Ground model（發(fā)送方和接收發(fā)距離大于界限值時）。Friss free space model時，能量損耗與成正比；Two-Ray Ground model時，能量損耗與成正比。[2，3]中的多跳路由協(xié)議只考慮到這種情況，并未考慮到即距離四次方這種情況，而節(jié)點與節(jié)點之間距離，節(jié)點與BS之間距離大于這種情況在傳感器網(wǎng)絡(luò)中是很可能存在的（比如分布區(qū)域比較大；隨著節(jié)點的死亡，節(jié)點之間距離相對加大，從而大于界限值），因此必須要考慮到這種情況。

在實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中，由于非線性衰減的原因，在傳輸信息過程中，采用中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的多跳傳輸能量比以兩節(jié)點直接采用大功率傳輸消耗更少的能量。因此滿足這樣條件的一條最優(yōu)路徑是有可能存在的。若把多跳路由算法適當?shù)膽?yīng)用到LEACH協(xié)議中，可以減小整體網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。盡管多跳路由增加了中轉(zhuǎn)復(fù)雜度，但是考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的情況下，增加這點復(fù)雜度是值得的。因此本文選擇在簇頭之間實現(xiàn)多跳路由機制。

實現(xiàn)多跳路由機制有個前提條件：每個節(jié)都可以通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS獲得自己的位置坐標[4-5]，并且還可以獲得網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的位置坐標，這樣節(jié)點才能計算出到其他節(jié)點之間的距離，從而能夠選擇最佳路徑。

3 仿真結(jié)果及分析

本文選取50個節(jié)點，分別在200m×200m和300m×300m的兩種區(qū)域內(nèi)，對網(wǎng)絡(luò)剩余總能量與輪數(shù)關(guān)系以及得到BS收到的數(shù)據(jù)與輪數(shù)的關(guān)系比較進行仿真，結(jié)果如下圖1和2所示。

通過圖1仿真結(jié)果表明：①隨著分布范圍的擴大，能量損耗急劇增加，這也說明距離對于能量損耗的影響很大；②在網(wǎng)絡(luò)開始的很長一段時間內(nèi)，改進后的協(xié)議每輪的平均能量消耗明顯少于改進前的LEACH協(xié)議，這是因為：距離是影響能量損耗的主導(dǎo)因素，而本文采用的簇頭多跳算法使得節(jié)點消耗更少的能量，因此改進后協(xié)議的整體能量消耗低于LEACH協(xié)議。③在總能量接近耗盡時，改進后的協(xié)議能量消耗要快于LEACH協(xié)議。這是因為：在LEACH協(xié)議中，節(jié)點距離BS距離較遠的能量損耗快，這些節(jié)點可能提前死亡。在總體能量快耗盡時，存活的節(jié)點是距離BS較近的一些節(jié)點，因此能量消耗速度減緩了；改進后的協(xié)議均衡了節(jié)點能量消耗，總體能量快耗盡時，存活的節(jié)點也包括了距離BS較遠的節(jié)點，而距離BS較遠的節(jié)點能量消耗要大些。

通過圖2仿真結(jié)果表明，改進后協(xié)議的吞吐量有了較大的提高，尤其隨著分布區(qū)域的擴大，改進后協(xié)議BS的吞吐量優(yōu)勢就特別明顯。這是因為改進后的協(xié)議可以均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，因此BS采集到的數(shù)據(jù)也就明顯提高了。同時也可以看到，分布區(qū)域越大，能量損耗的越快，網(wǎng)絡(luò)的生存期就越短，所以BS接收到的有效信息量就越少了。

4 總結(jié)

本文分別對改進后的LEACH協(xié)議和LEACH協(xié)議進行仿真、比較分析。仿真中，分別在200 m×200 m和300 m×300 m兩種分布區(qū)域內(nèi)進行了網(wǎng)絡(luò)總體能量消耗、BS的吞吐量仿真，改進后的協(xié)議與LEACH協(xié)議的環(huán)境參數(shù)設(shè)置均相同。通過仿真結(jié)果表明：改進后的協(xié)議與LEACH協(xié)議，從節(jié)省消耗、BS的吞吐量等方面驗證了本文所提出的改進算法整體性能確實優(yōu)于LEACH 協(xié)議。本文提出的改進算法以犧牲網(wǎng)絡(luò)的延遲時間為代價獲得的，但是從整體性能分析來看，付出這一代價是值得的。

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Research on Improved LEACH Protocol with Multi hop Routing Mechanism

Tu Pu Zhao Quanjun

1.DaZhou Industrial Technology Institute of Intelligent Manufacturing，Sichuan University of Arts and Science，Sichuan Dazhou 635000 2.School of Intelligent Manufacturing，Sichuan University of Arts and Science，Sichuan Dazhou 635000

In this paper，we choose LEACH protocol as the key research object. The LEACH protocol is improved by two points：first，the threshold value of cluster head election is optimized；Second，the mechanism of cluster head multi hop routing is introduced. Simulation results show that the improved method is effective in saving energy consumption and throughput performance of BS.

wireless sensor network；routing protocol；energy loss；throughput

TP393

A

1009-6434（2016）11-0062-03

涂樸（1984—），女，四川省達州市人，碩士，講師，主要從事無線傳感網(wǎng)、智能控制方向的研究。趙全軍（1981—），男，四川省達州市人，碩士，講師，主要從事無線網(wǎng)絡(luò)通信方向的研究。

四川省教育廳項目（14ZB0314）；四川文理學(xué)院校級項目（2014Z004Y）。