摘 要： 針對計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LEACH路由協(xié)議最優(yōu)簇頭數(shù)時，只考慮了穩(wěn)定傳輸階段的能量損耗，而忽略了建立階段的能量損耗，從而導(dǎo)致節(jié)點加快死亡、網(wǎng)絡(luò)能量利用率低的問題，提出了一種改進的最優(yōu)簇頭數(shù)計算方法。該方法根據(jù)所有節(jié)點在一輪消耗的總能量，從能量消耗最小的角度推算出了最佳的簇頭數(shù)范圍，通過控制簇頭的數(shù)量來改善網(wǎng)絡(luò)的性能。MATLAB仿真結(jié)果表明，該方法均衡了網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH路由協(xié)議；能量消耗；最優(yōu)簇頭數(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者[1]。由于傳感器節(jié)點的計算、通信能力及能量都十分有限，因此，如何有效地使用能量均衡能量的消耗并延長網(wǎng)絡(luò)生存時間成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點之一[2]。
本文研究了低功耗自適應(yīng)集群分層型路由協(xié)議LEACH。在簇頭數(shù)選取時，如果簇頭數(shù)過多，簇頭要與遠(yuǎn)距離的基站通信，其消耗的能量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的成員節(jié)點，同時采集到的數(shù)據(jù)有冗余，浪費了較多的能量。如果簇頭數(shù)太少，也就失去了LEACH協(xié)議分層的意義，同時簇頭節(jié)點接收的信息量大，會增加簇頭的工作量，導(dǎo)致簇頭節(jié)點能量過快地消耗完而死亡[3]。因此，簇頭數(shù)量的多少直接影響網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，選擇一個合適的簇頭數(shù)能夠使網(wǎng)絡(luò)的能量消耗平均到每一個節(jié)點，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。
參考文獻(xiàn)[4]針對最優(yōu)簇頭數(shù)的計算進行了研究，但是其只考慮了穩(wěn)定傳輸階段的能量消耗，而沒有考慮建立階段節(jié)點的能量消耗，本文在其基礎(chǔ)上進行改進。本文方法能夠在每輪選擇一個合適的簇頭數(shù)，均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)使用時間的目的。
1 LEACH路由協(xié)議
LEACH是由MIT的HEINZELMAN等人提出的分簇路由協(xié)議， 使用循環(huán)的簇頭輪換技術(shù)使得每個傳感器節(jié)點都能成為簇頭，這樣整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗分布相對均衡，從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期[5]。此外，簇頭節(jié)點能夠?qū)Υ貎?nèi)節(jié)點的信息進行融合。由于數(shù)據(jù)通信消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)計算所消耗的能量，因此可以有效地節(jié)約能量。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分簇協(xié)議相比，LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%[6]。
LEACH協(xié)議被分為很多輪，每一輪包括建立階段和穩(wěn)定傳輸階段，為了減少網(wǎng)絡(luò)的開銷，穩(wěn)定傳輸階段的時間比建立階段要長。在建立階段，每個傳感器節(jié)點產(chǎn)生一個0~1之間的隨機數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值T（n），則該節(jié)點被選為簇頭節(jié)點，向其他節(jié)點發(fā)布自己是簇首的消息。T（n）[7]的計算公式為：
3.2 穩(wěn)定傳輸階段的能量消耗
在簇穩(wěn)定傳輸階段，簇頭節(jié)點接收非簇頭節(jié)點發(fā)送的消息，消耗的能量為l×Ｅelec×（N/K-1），將簇中所有的節(jié)點數(shù)據(jù)融合，消耗的能量為l×ＥDA×N/K，簇頭節(jié)點到基站的距離用dtoBs表示，則數(shù)據(jù)發(fā)送到基站消耗的能量為ｌ×Ｅelec+ｌ×εmp×d4toBs，因此簇穩(wěn)定傳輸階段每個簇頭節(jié)點消耗的能量為：
圓點，表示是普通的成員節(jié)點，然后每一輪都會隨著簇頭節(jié)點數(shù)的設(shè)定隨機選取相應(yīng)個數(shù)的節(jié)點由空心圓點變?yōu)閷嵭膱A點，表示被當(dāng)選為簇頭節(jié)點。隨著運行輪數(shù)的增大，會出現(xiàn)五角星形狀的節(jié)點，這是因為該節(jié)點的初始能量已經(jīng)全部耗完，表示節(jié)點死亡。
由網(wǎng)絡(luò)區(qū)域可知，M的值為100，因為每一輪都要選取新的簇頭節(jié)點，所以簇頭節(jié)點到基站的距離dtoBs是不斷變化的?；镜奈恢脼椋?0，150），當(dāng)簇頭在（0，0）位置時，dtoBs值最大，約為160 m；當(dāng)簇頭在（0，100）時，dtoBs值最小，為50 m。由此可以得到簇頭節(jié)點到基站距離的范圍為50≤dtoBs≤160，將其范圍代入式（13），可以求得2≤K≤5。
將最優(yōu)簇頭數(shù)除以總的節(jié)點數(shù)量100，即可得到式（1）的每輪選舉的概率p，p的最優(yōu)值為0.2~0.5，將p的值不斷更改，比較網(wǎng)絡(luò)第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)的輪數(shù)和網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點死亡時的輪數(shù)，如圖4所示。其中，虛線代表第一個節(jié)點死亡時的輪數(shù)，實線代表全部節(jié)點死亡時的輪數(shù)。從圖4可以看出，當(dāng)簇頭數(shù)在2~5之間時，網(wǎng)絡(luò)第一個節(jié)點和全部節(jié)點死亡時的輪數(shù)較多，說明網(wǎng)絡(luò)具有更長的壽命。因為最后網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點都死亡，所消耗的總能量都一樣，為每個節(jié)點所擁有的初始能量乘以節(jié)點總個數(shù)，所以運行輪數(shù)多的每一輪平均消耗的能量就少，證明了通過最優(yōu)簇頭數(shù)達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗的目的。
在LEACH路由協(xié)議中，簇頭數(shù)是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗的一個重要因素。在對LEACH路由協(xié)議工作原理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)一階無線通信模式能量消耗模型，提出了計算最優(yōu)簇頭數(shù)范圍的方法。仿真實驗結(jié)果表明，該方法能夠減少每一輪的平均能量消耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。
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