朱素霞 馬宏飛 孫廣路

摘 要：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）傳統(tǒng)的層次聚類協(xié)議LEACH中的節(jié)點能量消耗速率快、網(wǎng)絡(luò)生命周期短及通信能力弱等問題，提出了一種能量高效的改進LEACH協(xié)議（MOD-LEACH）。首先，全面兼顧節(jié)點剩余能量、鄰居數(shù)量以及和基站間距離，求出節(jié)點作為簇頭真實概率，借此優(yōu)化簇頭選舉閾值。其次，節(jié)點按照簇頭的能量、鄰居數(shù)量和兩者間距離，求出成本函數(shù)，從而科學(xué)判定簇頭。最后，簇頭根據(jù)與基站之間的距離通過單跳或者多跳方式和基站通信，以降低簇頭能耗。仿真結(jié)果表明，MOD-LEACH協(xié)議性能比現(xiàn)有幾種協(xié)議更優(yōu)，該協(xié)議與LEACH、DEEC、H-LEACH相比，網(wǎng)絡(luò)生命周期分別延長了61%、42.6%、14.2%，同時MOD-LEACH協(xié)議中基站接收的數(shù)據(jù)量相比其它三種協(xié)議也得到大幅提高。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);LEACH協(xié)議;能量高效;網(wǎng)絡(luò)生命周期;簇頭選舉

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.013

中圖分類號： TP393

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2021）03-0091-08

An Energy-efficient Improved LEACH Protocol

for Wireless Sensor Networks

ZHU Su-xia， MA Hong-fei， SUN Guang-lu

（School of Computer and Technology， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：Aiming at the problems of fast energy consumption rate， short network life cycle and weak communication capability of nodes in LEACH， a modified LEACH protocol （MOD-LEACH） with high energy efficiency was proposed.Firstly， the remaining energy of the node， the number of neighbors and the distance between the node and the base station are taken into full consideration to calculate the true probability of the node as the cluster head， so as to optimize the voting threshold of cluster heads.Secondly， the nodes calculate the cost function according to the energy of the cluster head， the number of neighbors and the distance between them， so as to judge the cluster head scientifically.Finally， the cluster head communicates with the base station through single-hop or multi-hop mode according to the distance between the cluster head and the base station， so as to reduce the energy consumption of the cluster head.Simulation results show that the performance of MOD-LEACH protocol is better than the existing protocols. Compared with LEACH， DEEC and H-LEACH， the network life cycle of this protocol is extended by 61%， 42.6% and 14.2% respectively. At the same time， the amount of data received by the base station in MOD-LEACH protocol is also greatly improved compared with the other three protocols.

Keywords：wireless sensor network; low energy adaptive clustering hierarchy（LEACH） protocol; energy-efficient; network life cycle; election of cluster heads

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)路WSN（wireless sensor network）作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，近幾年受到了越來越多的關(guān)注和重視[1]。一個WSN往往包含各種小型傳感器節(jié)點，它們由通信、處理、電源、傳感4個主要單元構(gòu)成，其中，通信單元信息收發(fā)往往占用大部分能量[2]。從實際應(yīng)用來看，眾多傳感器節(jié)點需要配置于遠方無人場景內(nèi)，無論充電亦或替換電池均面臨嚴重阻礙，因此，如何有效利用傳感器節(jié)點能量，在保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及通信能力的條件下延長WSN的生命期就成為該領(lǐng)域研究的熱點問題。

目前，可從硬件、架構(gòu)、平面/層次協(xié)議[3]等多方面延長WSN生命期，其中，分簇路由協(xié)議因其簡單高效而成為研究重點[4-5]。分簇協(xié)議LEACH[6]（low energy adaptive clustering hierarchy）按輪隨機選取簇頭，以此均衡網(wǎng)絡(luò)負載，但仍面臨能耗快、生命期短等問題，為此，文[7-14]對原LEACH從不同角度進行改進，以優(yōu)化其性能。文[15]將節(jié)點度、剩余能量定義成評價因素，借此確定簇頭。文[16]構(gòu)建鏈式簇結(jié)構(gòu)收集數(shù)據(jù)。文[17]從節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)平均兩種剩余能量出發(fā)，以此確定簇頭。文[18]根據(jù)簇頭到基站的距離控制簇大小，以用于簇間多跳傳輸。文[19-20]分別針對通信安全、地下管廊場景提出相應(yīng)的協(xié)議。以上協(xié)議多數(shù)從簇頭選取方面優(yōu)化WSN，而忽略節(jié)點入簇、簇間通信方式的影響，且簇構(gòu)建階段所考慮的因素過少，因此網(wǎng)絡(luò)生命期仍有待提高。

針對以上問題，本文提出一種基于LEACH改進的分簇協(xié)議MOD-LEACH（Modified-LEACH）。簇頭選舉階段，使用節(jié)點能量、密度及基站距離因素優(yōu)化選舉閾值，以確保合理簇頭的產(chǎn)生;成簇階段，節(jié)點會結(jié)合簇頭能量、距離等因素選擇最合適的簇頭加入;簇間通信階段，綜合考慮簇頭能量、基站距離、簇內(nèi)成員數(shù)等因子使簇頭與基站之間多跳通信，可有效降低簇頭能耗。通過實驗驗證，該協(xié)議的能耗、網(wǎng)絡(luò)生命期及通信能力均顯著優(yōu)于當前已有分簇路由算法。

1 LEACH協(xié)議分析

1.1 LEACH協(xié)議概述

LEACH屬于WSN方面首個能量有效層次化動態(tài)聚類協(xié)議，相較靜態(tài)形式而言，必須周期性調(diào)整WSN簇結(jié)構(gòu)。事實上，LEACH各個節(jié)點作為簇頭幾率完全一致，理想條件下，各個節(jié)點應(yīng)依次作為簇頭。各簇頭采用單跳形式將信息傳輸至基站（BS，base station）。簇頭選擇和簇形成操作分布式執(zhí)行，不需要集中控制，這使LEACH協(xié)議具有良好的可伸縮性和魯棒性。LEACH以“輪”方式運行，一輪分為兩個過程：簇建立與穩(wěn)態(tài)過程。關(guān)于前者，即確定簇頭，同時把網(wǎng)絡(luò)細分成簇，面向內(nèi)部所有成員完成信息傳輸調(diào)度;關(guān)于后者，信息會得到聚合、壓縮處理，與此同時發(fā)送至BS。

由節(jié)點自行判斷各自能否當成簇頭，彼此間無須進行任何協(xié)商交流，最后簇頭隨機產(chǎn)生。不同節(jié)點從[0，1]中確定1個隨機數(shù)，若數(shù)值低于閾值T（n），那么該節(jié)點便是該輪簇頭;反之就是一個成員。下面是LEACH協(xié)議中T（n）基本算式：

T（n）=p1-p*[rmod（1/p）]，n∈G，

0，otherwise.（1）

式中：p是節(jié)點作為簇頭幾率;r是現(xiàn)在輪數(shù);G是最近1/p輪沒有作為簇頭的剩余所有節(jié)點集[7]。通過集合G完成節(jié)點分類，能有效防止節(jié)點持續(xù)多次作為簇頭。

當簇頭選擇完畢時，另一些普通節(jié)點需要求出和不同簇頭間距離，并加入距離最近的簇頭。各簇頭采取TDMA技術(shù)面向成員節(jié)點分配信息傳輸時隙，如此一來，可防止簇中信息發(fā)送階段相互產(chǎn)生影響。這些節(jié)點僅在對應(yīng)時隙發(fā)送信息，平時處于休眠狀態(tài)，借此降低能耗。簇頭聚合由成員節(jié)點獲得的信息，經(jīng)聚合處理再傳輸至BS。

1.2 LEACH協(xié)議不足

即便LEACH具備節(jié)能特征，能夠一定程度增加網(wǎng)絡(luò)壽命，但實踐應(yīng)用階段同樣有著許多問題與弊端，必須引起高度重視，經(jīng)歸納整理說明如下：

1）簇頭確定過程中，并未注重節(jié)點所在位置，這種情況下，容易導(dǎo)致感知范圍內(nèi)簇頭非均勻分布，如此一來，會出現(xiàn)負載不均問題，同時所產(chǎn)生的簇規(guī)模有著明顯差距。

2）憑概率隨機確定簇頭，并未考慮節(jié)點能量問題。若所確定簇頭能量偏低，容易出現(xiàn)能量耗盡以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。

3）簇頭選舉過程中，并未注重節(jié)點鄰居數(shù)量。若較少者被確定成簇頭，那么簇內(nèi)距離明顯偏遠，這種情況下，能耗也隨之越快。

4）簇頭把聚合處理所得信息傳輸至BS。距離BS偏遠/偏近簇頭相較而言，前者能耗更快。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假定有1個適合特定環(huán)境的WSN，且內(nèi)部傳感器節(jié)點、基站數(shù)量分別是N個與1個，前者均勻分布于M×M m2二維平面區(qū)間，各自均有著唯一標識ID。下面關(guān)于WSN屬性提出相應(yīng)假設(shè)：

1）基站（BS）位于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中心且不可移動（或BS可以規(guī)律性的移動），其沒有能量限制并具有較高的計算能力。

2）節(jié)點一旦部署則無法移動，初始能量有限而且完全一致。另外它們均為同構(gòu)，換言之，信息處理、通信能力以及硬件配置完全一致。

3）節(jié)點能夠感知自身位置、剩余能量、通信區(qū)域所有鄰居，根據(jù)接受信號強度求出彼此間距離。一方面能和BS通信，另一方面能調(diào)整發(fā)射功率，進而調(diào)節(jié)自身通信區(qū)域。

4）節(jié)點由簇頭、成員節(jié)點兩種模式間切換。簇頭將所接受的成員節(jié)點信息聚合成1個數(shù)據(jù)包傳輸至BS。

5）相比于通信能耗，節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能耗很小，因此可以忽略。

2.2 能耗模型

根據(jù)實際情況考慮，經(jīng)全面對比研究，本次選擇文[6-7]中一階無線通信模型來分析，其結(jié)構(gòu)詳情參見圖1，相關(guān)公式為（2）～（4）。結(jié)合圖例進行說明，通過圖例分析可知，節(jié)點能耗受兩方面直接影響，其一，數(shù)據(jù)包大小（m），其二，收/發(fā)節(jié)點間距離。當兩節(jié)點間距離是d時，發(fā)送m bit信息能耗可通過下式求得：

ETX（m，d）=mEelec+mεfsd2，d

mEelec+mεmpd4，d≥d0（2）

式中：Eelec為接收或發(fā)送1bit數(shù)據(jù)時能耗，εfs與εmp依次為自由空間衰減、多徑衰減信道兩種模型信號放大系數(shù)。d0為距離閾值，即節(jié)點最遠通信距離，下面是其對應(yīng)表達式：

d0=εfsεmp（3）

節(jié)點接收m bit數(shù)據(jù)的能耗ERX由式（4）給出：

ERX（m）=mEelec（4）

3 改進的LEACH協(xié)議（MOD-LEACH）

本文提出的MOD-LEACH協(xié)議同LEACH一樣，按“輪”運行。每輪包括簇建立階段和穩(wěn)態(tài)階段，而第一階段又可分為簇頭選擇和節(jié)點入簇兩個階段。簇建立過程中，主要以節(jié)點剩余能量、鄰居數(shù)量以及至BS距離選擇簇頭，然后由其它節(jié)點求出和各簇頭成本函數(shù)值，同時經(jīng)全面對比，加入其中最小值對應(yīng)的簇頭。穩(wěn)態(tài)過程中，簇頭需要采集簇內(nèi)成員信息，同時把聚合處理所得信息采用單跳或多跳形式傳輸至BS。

3.1 簇頭選擇

由早期LEACH協(xié)議來看，已提前設(shè)置節(jié)點簇頭優(yōu)化比例p，同時網(wǎng)絡(luò)全生命期內(nèi)p始終處于固定狀態(tài)。p也代表著節(jié)點成為簇頭的概率，并與當前輪數(shù)共同決定閾值T（n）的大小。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷運行，各個節(jié)點的剩余能量越來越少，差距越來越大，而且到后期，死亡節(jié)點不斷增多，如果總是以固定的p來衡量節(jié)點成為簇頭的概率，而忽略節(jié)點剩余能量因素，顯然是不合理的。另外，節(jié)點位置與作為簇頭概率間有著密切關(guān)聯(lián)，如果距離BS偏遠，那么需要消耗更多能量解決聚合信息發(fā)送問題，就算源簇頭采用多跳形式發(fā)送聚合信息，多跳路徑所有中繼節(jié)點信息收發(fā)階段，同樣造成總體能耗大幅提升。故而，所選簇頭應(yīng)當盡量靠近BS。不僅如此，鄰居數(shù)量與作為簇頭概率間也有著緊密聯(lián)系，當所選簇頭鄰居數(shù)量很多時，那么可以給大量簇成員提供服務(wù)，不但數(shù)據(jù)聚合比更高，而且成員至簇頭平均距離減小，這種情況下，簇內(nèi)能耗隨之減少。

基于上述分析，本文引入剩余能量因子Ei、距離因子di、節(jié)點鄰居數(shù)量因子Ni來動態(tài)的計算每輪中各個節(jié)點成為簇頭的概率，使簇頭選舉更加合理。各因子計算公式及改進后的閾值公式T（n）如下：

Ei=E（i）/Eaverage（5）

Ni=1-N（i）/（np）（6）

di=（maxBS-dtoBS（i））/maxBS（7）

p（i）=EiαNi+βdi（8）

T（n）=p（i）1-p（i）[rmod（1/p（i））]，n∈G，

0，otherwise.（9）

式中：p（i）為節(jié)點i作為簇頭實際概率;Eaverage、E（i）分別為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部現(xiàn)有存活節(jié)點的平均能量、節(jié)點i當前輪的剩余能量;N（i）表示節(jié)點i的鄰居集合，N（i）則為節(jié)點i通信區(qū)域內(nèi)存活鄰居數(shù)量;n、np分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)、標準簇內(nèi)成員節(jié)點數(shù);maxBS為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點至BS最遠距離;dtoBS（i）為節(jié)點i和BS之間的距離;r為當前輪數(shù);G為最近運行輪內(nèi)沒有作為簇頭一部分節(jié)點集合;α與β為權(quán)重因子，滿足α+β=1，二者大小按實際場景而定。

根據(jù)式（5）-（9）不難發(fā)現(xiàn)，當節(jié)點剩余能量較大、鄰居較多、與BS較近時，那么p（i）值較大，T（n）值同樣較大，所產(chǎn)生隨機數(shù)低于T（n）可能性隨之增大，換言之，此節(jié)點更有可能作為簇頭。由此可見，本文的MOD-LEACH協(xié)議結(jié)合多因素合理選擇簇頭，可以有效均衡各節(jié)點的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

3.2 節(jié)點入簇

當簇頭被成功選擇后，那么它將在本身通信區(qū)域內(nèi)廣播作為簇頭這一消息CH_WIN（具體包含節(jié)點身份ID、剩余能量等信息）。而其它節(jié)點據(jù)此以及有關(guān)信號強度，求出加入各簇頭成本函數(shù)值，最后向具有最小值的簇頭發(fā)送JOIN_REQUEST消息。直至這一步，節(jié)點分簇也隨之結(jié)束。

關(guān)于節(jié)點i和某一簇頭c的成本函數(shù)，需要考慮三方面問題，首先是簇頭c的剩余能量，其次是簇頭c的鄰居數(shù)量，最后是節(jié)點i、簇頭c之間的距離。如果節(jié)點i通信區(qū)域內(nèi)包含大量簇頭，僅僅兼顧距離因素時，需要添加最近簇頭，也就是：

costF（i，c）∝dis（i，c）（10）

簇頭的鄰居數(shù)量對其形成簇的規(guī)模及能耗具有很大影響。一個具有較多鄰居的簇頭，若為周圍所有鄰居節(jié)點提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，會加劇其能耗，這并不利于網(wǎng)絡(luò)的整體性能。因此，為了使各簇的規(guī)模相當，節(jié)點應(yīng)盡可能地選擇鄰居數(shù)量較小的簇頭加入。即：

costF（i，c）∝N（c）（11）

簇頭的能耗比普通節(jié)點高，因此，節(jié)點應(yīng)選擇能量較高的簇頭加入，即：

costF（i，c）∝1E（c）（12）

綜合式（10）～（12），得到成本函數(shù)：

costF（i，c）=a1dis（i，c）maxBS+a2N（c）n+a3E0E（c）（13）

式中：dis（i，c）為節(jié)點i和簇頭c之間的距離;E0為每個節(jié)點的初始能量;|N（c）|為簇頭c的鄰居節(jié)點數(shù);a1、a2、a3為加權(quán)因子，調(diào)節(jié)式中各項對成本函數(shù)影響程度大小，且a1+a2+a3=1。

3.3 簇間數(shù)據(jù)通信

由LEACH實際應(yīng)用情況來看，各個簇頭全部采用單跳形式把聚合信息傳輸至BS，這種情況下，如果和BS距離偏遠，那么能耗必然更快。而與LEACH等傳統(tǒng)分簇協(xié)議不同的是，MOD-LEACH協(xié)議在簇頭與基站之間建立一條多跳傳輸路徑用于聚合數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，以減少遠距離簇頭的能耗。該協(xié)議在成簇后，會為遠離基站的簇頭選擇中繼節(jié)點，這些中繼節(jié)點就是距離基站較近的一些簇頭。由無線電能耗模型來看，節(jié)點的能耗與通信距離呈正相關(guān)，因此，在簇頭選取下一跳中繼節(jié)點時，著重考慮距離這一因素。下面將描述如何在簇頭與BS之間構(gòu)建多跳傳輸路徑。

在選取中繼節(jié)點之前，需要收集鄰居簇頭的相關(guān)信息。每個簇頭將在其通信半徑內(nèi)廣播route_msg消息，同時也接受其它簇頭發(fā)來的route_msg消息。這個消息包括簇頭的身份標識、基站距離、剩余能量等信息。一旦廣播結(jié)束，簇頭便會掌握所有鄰居簇頭節(jié)點的信息，然后根據(jù)這些信息及本身基站距離確定與基站的通信方式。具體分為以下兩種情況：

1）若BS位于簇頭一跳通信區(qū)域內(nèi)，即簇頭與基站的距離小于其通信距離，那么簇頭直接把聚合信息傳輸給BS。對于這種情況而言，如果采用鄰居簇頭節(jié)點中繼傳輸，必然使能耗大幅提升。

2）若BS位于簇頭一跳通信范圍外，則該簇頭需考慮各鄰居簇頭的基站距離、剩余能量、簇內(nèi)成員節(jié)點數(shù)等因子，使用式（14）計算各鄰居簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)概率，并選擇具有最大概率值的鄰居簇頭作為下一跳中繼節(jié)點。被選擇的鄰居簇頭繼續(xù)采用上述方式確定下一跳，直至聚合數(shù)據(jù)被成功發(fā)送到BS。

假定有簇頭i及其鄰居簇頭j，那么i確定j是下一跳節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)概率表達式為

P（i，j）=τijE（j）∑k∈N（i）E（k）1/N（j）∑k∈N（i）1/N（k），j∈N（i），

0，otherwise（14）

其中，

τij=2maxBS-dis（i，j）-dtoBS（j）2maxBS（15）

式中：τij為i和j距離因子;N（i）為i鄰居節(jié)點集合，其它參數(shù)全部同前文所述。由式（14）、（15）可知，鄰居簇頭j到基站的距離越近，與簇頭i的距離越近，剩余能量越高，鄰居數(shù)量越小，其被選為中繼節(jié)點的概率就越大。

4 仿真測試

為了評價改進MOD-LEACH協(xié)議的性能，使用Matlab仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對LEACH[6]、DEEC[17]、H-LEACH[9]、MOD-LEACH 4種協(xié)議在不同評價指標下對比。假定100個節(jié)點隨機分散于100×100m2區(qū)間，另外初始能量完全一致，基站則處在中心位置，具體分布情況參見圖2。實驗仿真參數(shù)如表1所示。

4.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期對比

圖3描述了在所配置的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中，LEACH、DEEC、H-LEACH以及MOD-LEACH協(xié)議的死亡節(jié)點數(shù)隨時間的變化關(guān)系。本文將首個節(jié)點死亡輪數(shù)定義成網(wǎng)絡(luò)生命周期，究其原因不難發(fā)現(xiàn)，在首個節(jié)點死亡前提下，網(wǎng)絡(luò)就會處于非穩(wěn)定期。從圖3中可以看出，所有協(xié)議的死亡節(jié)點數(shù)隨著運行時間都在增加，但是本文提出的MOD-LEACH協(xié)議相比于其它3種協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)生命周期顯著延長，而且整個運行過程中，MOD-LEACH協(xié)議的節(jié)點死亡速率遠遠低于其它3種協(xié)議。歸根結(jié)底在于MOD-LEACH全面考慮節(jié)點位置、能量與鄰居數(shù)量，借此合理確定簇頭，不僅如此，還面向節(jié)點入簇方法完成適當優(yōu)化，能讓簇分布及其規(guī)模更科學(xué)，與此同時，簇頭能采用多跳形式與BS通信，這種情況下，必然可以大幅減少節(jié)點能耗，增加其存活周期。

圖4給出了4種協(xié)議不同比例節(jié)點死亡時間對比。LEACH、DEEC、H-LEACH、MOD-LEACH的第一個節(jié)點死亡時間分別是868輪、980輪、1 224輪、1 398輪;10%節(jié)點死亡時間分別是963輪、1 064輪、1 343輪、1 540輪;所有節(jié)點的死亡時間分別是1 276輪、1 296輪、1 635輪、2 494輪。MOD-LEACH網(wǎng)絡(luò)生命周期相對于LEACH、DEEC、H-LEACH分別提高了61%、42.6%、14.2%，由此可見，本文提出的MOD-LEACH協(xié)議可以有效的延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

4.2 網(wǎng)絡(luò)能耗對比

根據(jù)圖5進行說明。通過圖例分析不難發(fā)現(xiàn)，隨著運行時間不斷推移，各種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)剩余能量均呈現(xiàn)下降趨勢，但相比之下不難發(fā)現(xiàn)，MOD-LEACH這項因素一直高于其它3種。在1 700輪時，LEACH、DEEC、H-LAECH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能量已耗盡，而MOD-LEACH的網(wǎng)絡(luò)能量仍剩余7J，其能量耗盡是在2 000輪之后，由此可見，本文提出的MOD-LEACH協(xié)議相對于其它3種協(xié)議在能量利用方面更加高效，節(jié)能效果更好。MOD-LEACH協(xié)議比其它3種協(xié)議能耗更低，主要是因為在簇頭選舉、節(jié)點入簇及簇間通信階段充分考慮了剩余能量、鄰居節(jié)點數(shù)量等影響因素，可以有效均衡各個節(jié)點的能耗，因此與其它協(xié)議相比，相同運行時間內(nèi)存活節(jié)點數(shù)較多，從而網(wǎng)絡(luò)整體剩余能量也比較多。

4.3 基站接收數(shù)據(jù)量對比

LEACH、DEEC、H-EACH以及MOD-LEACH 4種協(xié)議的基站接收數(shù)據(jù)量隨時間的變化情況如圖6所示。可以看出，4種協(xié)議的基站接收數(shù)據(jù)包數(shù)都在不斷增加，并在某一輪數(shù)之后保持不變，而且在整個運行周期內(nèi)，MOD-LEACH的基站接收數(shù)據(jù)包數(shù)始終多于其它3種協(xié)議。LEACH和DEEC的基站接收數(shù)據(jù)包數(shù)在1 300輪之后就不在增加，H-LEACH協(xié)議的基站接收數(shù)據(jù)包數(shù)在1 700輪之后達到飽和，但是MOD-LEACH協(xié)議中基站一直到2 000輪左右仍在接收數(shù)據(jù)，由此可見，MOD-LEACH的數(shù)據(jù)傳輸能力優(yōu)于其它3種協(xié)議。

圖7表明了4種協(xié)議生命周期結(jié)束后，基站總共接收的數(shù)據(jù)包數(shù)。從圖中數(shù)據(jù)看出，MOD-LEACH的基站收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)分別是LEACH、DEEC、H-LEACH協(xié)議的26倍、10.7倍、2.88倍。經(jīng)過以上分析可得，MOD-LAECH協(xié)議中基站接收的數(shù)據(jù)量比其它3種協(xié)議更多，能耗速率更低。MOD-LEACH協(xié)議中基站接收數(shù)據(jù)量高，主要得益于節(jié)點能耗降低，網(wǎng)絡(luò)生命周期延長，因此在網(wǎng)絡(luò)運行后期仍然有很多存活節(jié)點向基站發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.4 非靜態(tài)WSN下的生命周期和能耗對比

實際應(yīng)用中，基站有時會進行移動以高效的收集感知數(shù)據(jù)，這種情況下的網(wǎng)路拓撲是始終變化的，為了驗證MOD-LEACH協(xié)議在這種場景中的性能，本文進行了仿真實驗。實驗中的場景同樣按照圖2和表1配置網(wǎng)絡(luò)和實驗參數(shù)，但基站不再是靜態(tài)的，而是具有移動性?；镜囊苿勇窂绞且宰鴺耍?0，0）為起點，（50，120）為終點的一條直線。圖8和圖9展示了基站移動情況下幾種協(xié)議在生命周期和能耗方面的仿真結(jié)果。從圖8可以看出，本文提出的MOD-LEACH協(xié)議的節(jié)點率先死亡，時間為829輪，而LEACH、DEEC、H-LEACH的第一個節(jié)點死亡時間分別為863輪、971輪、1117輪，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是MOD-LEACH協(xié)議在選擇簇頭時，考慮了距離這一因素，這就使靠近BS的節(jié)點在每輪中有更多的機會被選為簇頭，從而會造成BS附近的一些節(jié)點過早死亡。MOD-LEACH的全部節(jié)點死亡時間最長，而且隨著網(wǎng)絡(luò)的運行，其節(jié)點死亡速率遠低于

其它3種協(xié)議，這也正是因為其在BS移動的情況下考慮了距離這一因素，保證了簇頭選擇的合理性，從而減少節(jié)點之間的通信能耗，增加了節(jié)點的存活時間。

從圖9可以看出，即使MOD-LEACH協(xié)議的第一個節(jié)點死亡的最早，但是其在整個網(wǎng)絡(luò)運行周期內(nèi)，剩余總能量始終高于其它3種協(xié)議。這也表明了所提出的協(xié)議考慮距離、能量、鄰居節(jié)點數(shù)3個因素成簇，可以有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的能量。

5 結(jié) 語

面向WSN傳統(tǒng)LEACH協(xié)議存在的節(jié)點能耗快、存活時間短等問題，本文基于LEACH建立改進后MOD-LEACH協(xié)議。該協(xié)議首先使用節(jié)點能量、基站距離、鄰居數(shù)量等因子來優(yōu)化選舉閾值，以保證合理簇頭的產(chǎn)生。其次，考慮簇頭能量、簇內(nèi)成員數(shù)等因子來優(yōu)化節(jié)點入簇及簇間通信，以均衡并降低簇頭能耗。通過實驗研究不難發(fā)現(xiàn)，本文MOD-LEACH相較LEACH、DEEC、H-LEACH三者而言，一方面能大幅節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，另一方面可顯著提高基站接收信息量。而且，在非靜態(tài)WSN場景下，MOD-LEACH協(xié)議也具有不錯的性能。

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（編輯：溫澤宇）