李曉冬　李淑明　姜玉亭

【摘 要】針對LEACH協(xié)議存在的簇頭隨機(jī)選擇，未考慮節(jié)點(diǎn)與基站距離不同導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡的問題，提出了一種基于距離權(quán)重的改進(jìn)協(xié)議LEACH-D。改進(jìn)協(xié)議在節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率閥值中加入距離權(quán)重，使距離基站越近的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率越高。仿真表明，改進(jìn)后的協(xié)議有效延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高了能量有效性。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH協(xié)議；距離權(quán)重；生存時間；能量有效性

【Abstract】Aiming at the problem that the cluster head is randomly selected in the LEACH protocol， and the node energy consumption is not balanced due to the different distance between the node and the base station， an improved protocol LEACH-D based on distance weight is proposed. The improved protocol adds the distance weight to the probability threshold of cluster head selection， which makes the probability of being chosen as the cluster head is higher if the node is nearer to the base station. Simulation results show that the improved protocol effectively prolongs the network lifetime and improves the energy efficiency.

【Key words】Wireless sensor network；LEACH protocol；Distance weight；Lifetime；Energy efficiency

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）[1]是一種由大量低功率傳感器節(jié)點(diǎn)（一般使用電池供電）和基站臨時構(gòu)建的自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測、采集網(wǎng)絡(luò)所在區(qū)域的相關(guān)信息并發(fā)送給基站，再通過基站傳輸給用戶。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量很有限，但經(jīng)常被投放于人類難以方便抵達(dá)的區(qū)域，電池的充電或更換很困難，因此在為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計路由協(xié)議時，如何能夠最大限度的節(jié)約能量以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間、獲取更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)成為重點(diǎn)需要解決的問題。

對于WSN的路由協(xié)議而言，評價其性能的指標(biāo)有很多，其中最受關(guān)注的有以下兩條[2]：

1）網(wǎng)絡(luò)的生存時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間指的是從網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)能量全部耗盡所持續(xù)的時間，該時間越長越好。

2）能量有效性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性指的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在有限的能量下能夠收集、處理、發(fā)送的數(shù)據(jù)量，該數(shù)據(jù)量越大約好。

LEACH協(xié)議是主要針對以上兩個指標(biāo)提出的一種基于多簇結(jié)構(gòu)的分層路由協(xié)議[3]，該協(xié)議以“輪”的形式周期性的按一定概率隨機(jī)選擇簇頭，通過簇頭對簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制減少了數(shù)據(jù)的傳輸量和傳輸距離從而提高了能量有效性，同時通過簇頭的輪換，保證了所有節(jié)點(diǎn)有相同的機(jī)會當(dāng)選簇頭，在一點(diǎn)程度上保障了網(wǎng)絡(luò)能量的均衡性從而增加了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。有研究表明，相對傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，LEACH協(xié)議可增加15%的網(wǎng)絡(luò)生存時間[4]，能量有效性提高4-8倍[3]。

1 LEACH協(xié)議分析

LEACH協(xié)議以“輪”為周期進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行，每一輪分為簇頭建立和穩(wěn)定傳輸狀態(tài)兩個階段，如圖1所示。

式中：P為節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的百分比，r為當(dāng)前輪數(shù)，G為在最近的1/P輪中未當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)集合（即每個節(jié)點(diǎn)在1/P輪中只能有一次機(jī)會當(dāng)選簇頭）。LEACH協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)前面已敘述，其缺陷在于簇頭的選舉以等概率進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都有相同的機(jī)會成為簇頭，這樣看似平等，實際并未考慮節(jié)點(diǎn)與基站的距離對協(xié)議性能的影響。對于距離基站更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)而言，其與基站通信的能量消耗必然更大，如果這樣的節(jié)點(diǎn)仍然以同樣的概率當(dāng)選簇頭，最終后果就是距離基站越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)越早死亡。對此我們使用matlab軟件對LEACH協(xié)議進(jìn)行了仿真分析，使用的無線能量損耗模型參照文獻(xiàn)[5]，使用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：節(jié)點(diǎn)數(shù)100，區(qū)域200m×200m，基站坐標(biāo)（100m，100m），控制包長度32bit，數(shù)據(jù)包長度4000bit，節(jié)點(diǎn)初始能量0.5J，Eelec=50nJ/bit，EDA=5nJ/bit，efs=10pJ/bit/m2，emp=0.0013pJ/bit/m4。從圖2知，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)的增加，存活下來的節(jié)點(diǎn)與基站的平均距離越來越近，也就是說距離基站越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)死亡時間越早，這符合我們的分析預(yù)期。

2 LEACH協(xié)議的改進(jìn)

首先第一輪為臨時輪，臨時輪采用與LEACH協(xié)議的運(yùn)作方式相同，只是發(fā)送的數(shù)據(jù)中加入了每個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，這是很容易實現(xiàn)的，只需配備GPS定位即可。當(dāng)基站在臨時輪接收完網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)后就能知道網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，基站根據(jù)這些數(shù)據(jù)及自身坐標(biāo)計算出最近的節(jié)點(diǎn)距離Dmin、最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)距離Dmax、及中間距離Dmid=（Dmax-Dmin）/2并將這些信息和基站自己的坐標(biāo)一起廣播給全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，隨后進(jìn)入正式輪循環(huán)：網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點(diǎn)n根據(jù)自己坐標(biāo)和基站坐標(biāo)計算出兩者之間的距離Dn，并以此距離為權(quán)重計算出自己所處位置的簇頭百分比P（Dn），由式（2）確定。相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)n當(dāng)選簇頭的閥值T（n）也轉(zhuǎn)變?yōu)槭剑?），這樣距離基站越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率越低，從而避免了其過早死亡，需要注意的是，G仍然定義為在最近的1/P輪中未當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。

為了評價改進(jìn)算法的性能，利用matlab對相同狀態(tài)下的LEACH協(xié)議和LEACH-D協(xié)議進(jìn)行仿真比較。由圖3可知， LEACH協(xié)議首個節(jié)點(diǎn)死亡的時間為第274輪，LEACH-D協(xié)議則為第369輪；50%節(jié)點(diǎn)死亡的時間LEACH協(xié)議和LEACH-D協(xié)議分別為第514輪和第684輪，經(jīng)過1038輪后LEACH協(xié)議全部節(jié)點(diǎn)死亡，而LEACH-D協(xié)議則延長到了第1250輪，網(wǎng)絡(luò)生存時間有了明顯提高。

3 結(jié)束語

針對LEACH協(xié)議選擇簇頭未考慮節(jié)點(diǎn)與基站距離對節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡的影響，本文提出了一種基于距離權(quán)重的LEACH協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議，通過仿真可知，改進(jìn)的LEACH-D協(xié)議能夠長網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高能量有效性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]AKYILDIZ I F，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al.Wireless sensor network：A survey[J].Computer Networks，2002，38（4）：393-44.

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[3]HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.Energy-efficient communication protocol for wireless micro sensor networks[C]//Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences.Maui，HI，2000：1-10.

[4]YU Y，ESTRIN D，GOVINDAN R.Geographical and energy-aware routing：A recursive data dissemination protocol for wireless sensor network[R].UCLA-CS TR-01-0023.Los Angeles：University of California，2001：1-11.

[5]Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Trans.Wireless Comm，2002，4（1）：660-670.

[責(zé)任編輯：田吉捷]