摘  要： 針對(duì)計(jì)算無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LEACH路由協(xié)議最優(yōu)簇頭數(shù)時(shí)，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(diǎn)加快死亡、網(wǎng)絡(luò)能量利用率低的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的最優(yōu)簇頭數(shù)計(jì)算方法。該方法根據(jù)所有節(jié)點(diǎn)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(guò)控制簇頭的數(shù)量來(lái)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(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。
關(guān)鍵詞： 無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的無(wú)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(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者[1]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)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(shí)，如果簇頭數(shù)過(guò)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(diǎn)，同時(shí)采集到的數(shù)據(jù)有冗余，浪費(fèi)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(shí)簇頭節(jié)點(diǎn)接收的信息量大，會(huì)增加簇頭的工作量，導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)能量過(guò)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(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。
　參考文獻(xiàn)[4]針對(duì)最優(yōu)簇頭數(shù)的計(jì)算進(jìn)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(diǎn)的能量消耗，本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。本文方法能夠在每輪選擇一個(gè)合適的簇頭數(shù)，均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都能成為簇頭，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗分布相對(duì)均衡，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期[5]。此外，簇頭節(jié)點(diǎn)能夠?qū)Υ貎?nèi)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)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(jì)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(zhǎng)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(shí)間比建立階段要長(zhǎng)。在建立階段，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0~1之間的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于閾值T（n），則該節(jié)點(diǎn)被選為簇頭節(jié)點(diǎn)，向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己是簇首的消息。T（n）[7]的計(jì)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(diǎn)接收非簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)融合，消耗的能量為l×ＥDA×N/K，簇頭節(jié)點(diǎn)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(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量為：


圓點(diǎn)，表示是普通的成員節(jié)點(diǎn)，然后每一輪都會(huì)隨著簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)的設(shè)定隨機(jī)選取相應(yīng)個(gè)數(shù)的節(jié)點(diǎn)由空心圓點(diǎn)變?yōu)閷?shí)心圓點(diǎn)，表示被當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)。隨著運(yùn)行輪數(shù)的增大，會(huì)出現(xiàn)五角星形狀的節(jié)點(diǎn)，這是因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)的初始能量已經(jīng)全部耗完，表示節(jié)點(diǎn)死亡。

　由網(wǎng)絡(luò)區(qū)域可知，M的值為100，因?yàn)槊恳惠喍家x取新的簇頭節(jié)點(diǎn)，所以簇頭節(jié)點(diǎn)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(shí)，dtoBs值最大，約為160 m；當(dāng)簇頭在（0，100）時(shí)，dtoBs值最小，為50 m。由此可以得到簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的輪數(shù)和網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)的輪數(shù)，如圖4所示。其中，虛線代表第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)的輪數(shù)，實(shí)線代表全部節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)的輪數(shù)。從圖4可以看出，當(dāng)簇頭數(shù)在2~5之間時(shí)，網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和全部節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)的輪數(shù)較多，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)具有更長(zhǎng)的壽命。因?yàn)樽詈缶W(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都死亡，所消耗的總能量都一樣，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)所擁有的初始能量乘以節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)，所以運(yùn)行輪數(shù)多的每一輪平均消耗的能量就少，證明了通過(guò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗的一個(gè)重要因素。在對(duì)LEACH路由協(xié)議工作原理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)一階無(wú)線通信模式能量消耗模型，提出了計(jì)算最優(yōu)簇頭數(shù)范圍的方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠減少每一輪的平均能量消耗，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。
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