無線傳感器網(wǎng)絡(luò)^[1]是由大量無線感知節(jié)點構(gòu)成。LEACH^[2]則是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出的路由算法。該算法將節(jié)點通過定期選舉簇頭節(jié)點分擔無線網(wǎng)絡(luò)通信，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，以提高網(wǎng)絡(luò)壽命^[3]。但LEACH選舉簇頭節(jié)點存在隨機性，可能導(dǎo)致部分簇頭節(jié)點剩余能量低于某些普通節(jié)點。另外，LEACH采用簇頭與基站直接通信的方式，由于簇頭節(jié)點離基站位置遠近不一，發(fā)送相同數(shù)據(jù)包時，遠離基站的節(jié)點死亡較快。

1 LEACH算法以及不足

    LEACH是一種低功耗自適應(yīng)分層路由算法，以“輪”的方式完成無線數(shù)據(jù)傳輸^[4]。每輪分成簇建立階段和簇穩(wěn)定階段。在每輪初始階段進行簇頭選舉，簇頭選舉條件^[5-6]如式(1)所示。其中，P為簇頭所占比例，r為當前輪數(shù)，mod()為求余運算，G為節(jié)點集合。

    所有節(jié)點產(chǎn)生一個0~1之間的隨機數(shù)，如果這個值小于T(n)，則該節(jié)點宣布成為簇頭，并且廣播簇頭消息，其他成員節(jié)點收到廣播消息后加入該簇。簇建立好之后，簇頭為該簇內(nèi)所有成員節(jié)點分配TDMA時間表，所有成員節(jié)點按照TDMA時間表向簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)并進入穩(wěn)定階段^[7]。在LEACH路由算法中，能量消耗模型是一階無線電模型^[8]，如圖1所示。

    在無線傳輸距離門限d條件下，無線信道分為自由衰落模型和多徑衰落模型。在自由衰落模型下，節(jié)點發(fā)送k bit數(shù)據(jù)所消耗的能量如式(2)所示：

其中：E_elec是發(fā)送電路和接收電路消耗能量，ε_amp是放大電路放大數(shù)據(jù)所消耗能量。信號在無線信道中傳輸所消耗的能量與距離d^r成正比^[9]。根據(jù)兩個模型定義，直接傳輸會比多跳傳輸消耗更多能量^[10]。簇頭節(jié)點在數(shù)據(jù)融合中需要消耗一定的能量，如式(5)所示：

    在每一次選舉過程中，簇頭節(jié)點隨機從普通節(jié)點選舉出^[11]。可能存在某些普通節(jié)點與簇頭節(jié)點保持較遠距離的情況。經(jīng)過一輪傳輸后，這些邊沿節(jié)點能量消耗遠遠大于靠近簇頭節(jié)點能量消耗。如果在某一輪簇頭選舉過程中，這些邊沿節(jié)點滿足式(1)中條件而成為簇頭，這樣會出現(xiàn)簇頭節(jié)點能量小于該簇內(nèi)某些其他成員節(jié)點的情況，不利于網(wǎng)絡(luò)通信。將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以基站為中心，按照離基站距離不同劃分到不同區(qū)域中，以多跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)達到降低發(fā)送能耗的目的。本設(shè)計也是基于這兩點對LEACH路由協(xié)議進行改進。

2 LEACH協(xié)議改進及建模

    為了選取剩余能量較多的節(jié)點擔任簇頭，在本設(shè)計中，簇頭節(jié)點選舉參考節(jié)點能量剩余因子。其選舉條件如式(6)所示：

其中：E_su為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點消耗的能量總和，E_eu為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量總和。節(jié)點能量剩余因子表征該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均剩余量大小，范圍為0~1。節(jié)點的能量剩余因子越大，節(jié)點所消耗的能量越小，剩余能量越多。剩余能量越多的節(jié)點成為簇頭，則更有利于無線數(shù)據(jù)傳輸。

    為了平衡網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點能量消耗，根據(jù)基站與簇頭節(jié)點相對位置，劃分不同弧線區(qū)域：S₃、S₂和S₁，如圖2所示。

    網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點隨機分布在長度為L的正方形區(qū)域內(nèi)，基站位置為通過不同弧線將簇頭節(jié)點劃分到不同的區(qū)域中，每條弧線與基站距離分別為R₁、R₂和R₃。通過多跳的方式避免遠距離傳輸無線數(shù)據(jù)，達到降低能量消耗的目的。通過合理分配R₁、R₂和R₃長度，可以平衡整個網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點能量消耗。由圖2可計算出第一根弧線所劃分的區(qū)域面積S₁為：

其中，N為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點數(shù)量總和，k為比例因子。對于網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點n來說，它發(fā)送長度為k時，所消耗的能量為：

其中，c為簇頭節(jié)點n所在弧線區(qū)域。對于每一個區(qū)域內(nèi)簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)長度為k時，所消耗能量為：

    為了達到網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點能量消耗相互平衡，每一個區(qū)域內(nèi)簇頭節(jié)點所消耗的能量相近，即式(13)成立：

3 實驗結(jié)果與分析

    為了分析LEACH改進后的有效性，使用MATLAB進行仿真。環(huán)境為隨機分布在100 m×100 m范圍內(nèi)的200個節(jié)點，如圖3所示。

    圖4和圖5是改進前后算法在相同條件下仿真效果圖。圖4表示LEACH算法與改進算法在節(jié)點生命周期上的仿真。

    由圖4可看出，LEACH算法與改進算法分別在632輪和806輪出現(xiàn)節(jié)點快速死亡。在節(jié)點剩余數(shù)量為10%時，LEACH算法與改進算法執(zhí)行輪數(shù)分別為974和1 482。充分說明改進算法能有效地延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生命周期，并且降低節(jié)點死亡速率。

    圖5表示在該兩種算法上，每輪網(wǎng)絡(luò)中無線數(shù)據(jù)通信量。

    由于部分簇頭節(jié)點需借助其他簇頭節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)無線數(shù)據(jù)，因此，改進算法每輪無線通信量約為改進前2倍。由圖4可以看出，在無線網(wǎng)絡(luò)通信量增加的情況下，網(wǎng)絡(luò)生命周期依然得到延長。說明無線網(wǎng)絡(luò)通信量增加所消耗能量小于簇頭節(jié)點采取轉(zhuǎn)發(fā)方式所節(jié)約的能耗?？傮w而言減少了能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

    選舉出剩余能量較多的節(jié)點擔任簇頭節(jié)點，可避免簇頭節(jié)點提前死亡現(xiàn)象發(fā)生。簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)由直接改為多跳，既降低了發(fā)送能耗，又平衡網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點能量消耗。在提高整個網(wǎng)絡(luò)生命周期的前提下，避免了遠離基站的節(jié)點提前死亡的現(xiàn)象發(fā)生。仿真結(jié)果表明，通過改進簇頭選舉條件和采用多跳路由方式，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期得以延長。

參考文獻

[1] NAYEBI A，SARBAZI-AZAD H.Performance modeling of the LEACH protocol for mobile wireless sensor networks[J].Journal of Parallel and Distributed Computing，2011，71(6)：812-821.

[2] MOHAMMAD B，AHMAD A K，ABDALLAH A E，et al.An energy-efficient threshold-based clustering protocol for wireless sensor networks[J].Wireless Personal Communications，2013，70(1)：99-112.

[3] 蔣暢江，石為人，唐賢倫，等.能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇路由協(xié)議[J].軟件學(xué)報，2012(5)：1222-1232.

[4] Yao Liping，Li Xi，Ji Hong，et al.Systematic energy-balanced cooperative transmission scheme in wireless sensor networks[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2012(06)：14-18.

[5] 李悅，孫力娟，王汝傳，等.一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH算法[J].計算機研究與發(fā)展，2011，48(z2)：131-134.

[6] 游曉黔，李明隆，楊佳，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的研究與改進[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，23(6)：746-751.

[7] 呂濤，朱清新，張路橋，等.一種基于LEACH協(xié)議的改進算法[J].電子學(xué)報，2011，39(6)：1405-1409.

[8] 王翊，范興剛，王萬良，等.基于混合量子進化算法的高效節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24(2)：253-258.

[9] 尚鳳軍，任東海.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式多跳路由算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25(4)：529-535.

[10] 尚鳳軍，雷陽.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效成簇算法研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2009，30(5)：839-842.

[11] Wu Mingming，Xu Wenbo.The research of multi-hop routing algorithm in the field of distributed wireless sensor network[C].10th International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business，Engineering and Science，2011：234-238.