摘  要： 針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型分簇協(xié)議LEACH簇首隨機(jī)選擇和頻繁分簇的問(wèn)題，提出一種基于LEACH的改進(jìn)協(xié)議。簇首的選擇分為奇數(shù)輪和偶數(shù)輪，在奇數(shù)輪簇首的選擇時(shí)，節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，將此隨機(jī)數(shù)和閾值進(jìn)行比較，小于閾值的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，其中閾值的生成考慮了節(jié)點(diǎn)的能量。在偶數(shù)輪簇首選擇時(shí)，每個(gè)簇選擇上輪中簇內(nèi)能量最高的節(jié)點(diǎn)作為本輪簇首。協(xié)議能夠有效均衡網(wǎng)絡(luò)的能量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

　　關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇；LEACH；剩余能量

0 引言

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式連接形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者[1]。WSN不需要固定的網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)和其他商業(yè)領(lǐng)域[1]。

　　在WSN體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)對(duì)WSN性能的好壞有重要影響。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)WSN的研究，許多路由協(xié)議被提了出來(lái)，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為兩類：平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。在WSN的實(shí)際應(yīng)用中，由于通信損耗能量與傳送的數(shù)據(jù)量和到達(dá)目標(biāo)的距離平方成正比，因此采用基于分簇的路由協(xié)議相對(duì)平面路由協(xié)議具有更好的適應(yīng)性和節(jié)能性[2]。

　　本文提出的路由協(xié)議是基于最經(jīng)典的分簇路由協(xié)議LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）提出的，協(xié)議中簇首的選擇分為奇數(shù)和偶數(shù)輪。奇數(shù)輪簇首選擇中引入節(jié)點(diǎn)能量等參數(shù)，避免低能量的節(jié)點(diǎn)成為簇首。簇首確定后，簇首廣播自己為簇首的消息，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度加入不同的簇。在偶數(shù)輪簇首的選擇時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不再大規(guī)模地動(dòng)態(tài)生成簇，只是選擇上一輪中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量最大的節(jié)點(diǎn)作為本輪的簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)選擇后，通過(guò)廣播通知其簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)自己成為簇首節(jié)點(diǎn)。通過(guò)能量參數(shù)的引入使得簇首選擇避免了低能量節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，而且引入奇數(shù)和偶數(shù)輪降低了簇的生成開(kāi)銷，有效節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1 LEACH協(xié)議

　　該協(xié)議使用自適應(yīng)成簇和簇首節(jié)點(diǎn)輪換技術(shù)，周期性地執(zhí)行任務(wù)，每一個(gè)周期分為兩個(gè)階段，分別是簇的建立階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段，這兩個(gè)階段的時(shí)間比在協(xié)議中是1：19，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于建簇時(shí)間，這可避免分簇過(guò)于頻繁造成過(guò)多的能量損失。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，各個(gè)非簇首節(jié)點(diǎn)將按簇首分給的時(shí)隙來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇首，簇首收到各個(gè)簇成員發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后再發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)。

　　LEACH[3]協(xié)議選擇簇首策略具體如下：在建簇中的簇首選擇階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在0~1之間隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)與閾值T（n）進(jìn)行大小比較，如果小于閾值，則其將被選中成為新一輪的簇首，并廣播自己是簇首的消息。如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被當(dāng)選過(guò)簇首，則將T（n）置為0，這樣將不可能再當(dāng)選簇首了。閾值T（n）表示為：

　　其中，n表示傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)，k表示簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，r為輪數(shù)，G為網(wǎng)絡(luò)生存期的總回合數(shù)。

　　LEACH協(xié)議適用于大型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，與平面路由協(xié)議相比，LEACH協(xié)議在節(jié)能方面有比較突出的表現(xiàn)，但也存在一些問(wèn)題，比如LEACH算法簇頭的選擇沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)的能量問(wèn)題，如果一些能量較低的節(jié)點(diǎn)成為了簇首節(jié)點(diǎn)，那么此節(jié)點(diǎn)很快就會(huì)將能量耗盡而退出網(wǎng)絡(luò)，降低了網(wǎng)絡(luò)的壽命；同時(shí)LEACH算法簇的生成過(guò)于頻繁，按照輪的方式運(yùn)行，每輪完成后，網(wǎng)絡(luò)將重新進(jìn)入簇的生成階段，簇的頻繁生成將會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

2 LEACH-OE

　　在研究了LEACH協(xié)議存在的一些問(wèn)題后，本文提出了一種基于奇偶輪選擇簇首的協(xié)議LEACH-OE（Odd and Even number round of LEACH）。該協(xié)議大大降低了成簇的輪數(shù)，只有在奇數(shù)輪才會(huì)進(jìn)行簇首的隨機(jī)選擇和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)入簇操作，而且簇首選擇時(shí)，考慮了能量因素，使得能量高的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的概率更大，在偶數(shù)輪僅僅是選擇簇內(nèi)能量最高的節(jié)點(diǎn)作為本輪的簇首節(jié)點(diǎn)，之后通知其他簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)自己為簇首節(jié)點(diǎn)，節(jié)省了成簇時(shí)的能量消耗。

　　2.1 模型介紹

　?。?）網(wǎng)絡(luò)模型：基站（BS）固定且能量供應(yīng)充足；各節(jié)點(diǎn)同構(gòu)且具有節(jié)點(diǎn)編號(hào)；各節(jié)點(diǎn)可感知它的剩余能量；各節(jié)點(diǎn)可以與基站直接通信；各節(jié)點(diǎn)可根據(jù)接收者距離調(diào)整發(fā)射功率[4]。

　?。?）信道模型：傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送k bit消息d距離時(shí)消耗的能量ETX（k，d）：

　　接收k bit消息消耗的能量ETR（k）是：

　　ETR（k）=ERXelec（k）=kEelec（3）

　　在式（2）中，發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)距離大于臨界值d0=時(shí)，使用多路徑模型；否則使用自由空間模型。Eelec是發(fā)射電路和接收電路消耗的能量，εfs和εamp都是發(fā)射放大器所消耗的能量。

　　2.2 算法思想

　?。?）基于剩余能量的簇首選舉

　　本協(xié)議在簇首的選擇和成簇機(jī)制上進(jìn)行了改進(jìn)，簇首選擇時(shí)，分為奇數(shù)輪和偶數(shù)輪。當(dāng)奇數(shù)輪時(shí)（r mod 2==1）采用簇首的隨機(jī)生成，此過(guò)程中，不但考慮節(jié)點(diǎn)是否當(dāng)選過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)，還考慮節(jié)點(diǎn)的能量因素，降低了低能量節(jié)點(diǎn)優(yōu)先成為簇首節(jié)點(diǎn)的概率。由各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個(gè)[0，1]之間的隨機(jī)數(shù)，比較此隨機(jī)數(shù)與閾值F（n）的大小，如果小于F（n）則成為簇首節(jié)點(diǎn)，然后廣播自己成為簇首節(jié)點(diǎn)的信息，而其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信息的強(qiáng)度自主加入相應(yīng)的簇。閾值F（n）表示如下：

　　當(dāng)偶數(shù)輪（r mod 2==0）時(shí)，根據(jù)各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能量信息，由上輪簇首節(jié)點(diǎn)決定本輪簇首節(jié)點(diǎn)的選擇，上輪簇首根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量Ecur（i）的大小將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，然后簇首將能量最大節(jié)點(diǎn)的編號(hào)ID向簇內(nèi)進(jìn)行廣播，簇內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信息和自己節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行比較，當(dāng)節(jié)點(diǎn)ID與接收到的信息中的節(jié)點(diǎn)ID相同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)廣播自己成為本輪簇首節(jié)點(diǎn)的信息，各個(gè)簇僅僅是改變了簇首而簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)不發(fā)生變化。圖1是簇首選擇流程圖。

　?。?）數(shù)據(jù)發(fā)送階段

　　在簇首選擇成功后，簇首根據(jù)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)目創(chuàng)建TDMA時(shí)間表，并告知成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙，成員節(jié)點(diǎn)只有在所分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時(shí)間則處于休眠狀態(tài)以節(jié)約能量，成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)在簇首處融合并最終由簇首發(fā)送至基站。在數(shù)據(jù)的傳送中為了防止簇與簇之間的通信干擾，每個(gè)簇都使用一個(gè)特殊的代碼，簇頭到基站的數(shù)據(jù)發(fā)送采用載波檢測(cè)多址接入技術(shù)（CSMA）。當(dāng)簇頭有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先檢測(cè)信道是否空閑，當(dāng)信道有數(shù)據(jù)傳送時(shí)節(jié)點(diǎn)等待，直到信道空閑一段時(shí)間后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　?。?）能耗分析

　　在M×M的區(qū)域部署N個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，分為k個(gè)簇，每個(gè)簇中有N/K個(gè)節(jié)點(diǎn)（一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，其余為非簇首節(jié)點(diǎn)），傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送l bit數(shù)據(jù)，簇首在一輪中消耗的能量為：

　　從以上可知，傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的能耗主要是簇傳輸數(shù)據(jù)能量消耗和成簇的能量消耗。在已知網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)N、發(fā)送和接收電路的能耗Eelec、功率放大系數(shù)εamp和εfs、數(shù)據(jù)融合能耗EDA都是一定的，而簇?cái)?shù)k、簇首節(jié)點(diǎn)到基站的距離dtoBS、簇內(nèi)成員到簇首的距離dtoCH是不確定的，但是在本文討論的網(wǎng)絡(luò)中因?yàn)槎际请S機(jī)的，假設(shè)其差別不大?，F(xiàn)在能量消耗的節(jié)省主要從成簇方面進(jìn)行考慮，Etotal是一定的，因?yàn)橐肫鏀?shù)、偶數(shù)輪成簇機(jī)制，每?jī)奢啿女a(chǎn)生一輪成簇的能量消耗，很顯然延長(zhǎng)了總的網(wǎng)絡(luò)壽命，同時(shí)，在簇首的選擇時(shí)，只有那些剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先選為簇首節(jié)點(diǎn)，可以有效均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

3 仿真結(jié)果及其分析

　　3.1 仿真環(huán)境

　　為了驗(yàn)證本文算法的性能，在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行仿真比較。100個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]的分析，LEACH算法每輪最佳簇首個(gè)數(shù)，約為節(jié)點(diǎn)總數(shù)的5%，仿真中選擇k為5，仿真參數(shù)如表1所示。

　　3.2 LEACH和LEACH-OE性能的比較

　　在MATLAB環(huán)境下仿真LEACH-OE與LEACH協(xié)議，兩種協(xié)議運(yùn)行5 000輪后生存和死亡節(jié)點(diǎn)的分布如圖2所示。LEACH協(xié)議在1 127輪開(kāi)始有節(jié)點(diǎn)死亡，而LEACH-OE在1 435輪開(kāi)始有節(jié)點(diǎn)死亡，這是因?yàn)樵诖厥走x擇時(shí)LEACH-OE考慮了能量因素。而節(jié)點(diǎn)完全死亡LEACH-OE達(dá)到了2 782輪，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LEACH的2 237輪，輪數(shù)提高了24.5%左右。因?yàn)長(zhǎng)EACH-OE協(xié)議引入了奇數(shù)輪成簇機(jī)制，更節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的整體能量，延緩節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間，從而使網(wǎng)絡(luò)生命周期得到延長(zhǎng)。

　　兩種協(xié)議能量的消耗如圖3所示，比較可知在運(yùn)行同等輪數(shù)的情況下，LEACH-OE能量的消耗明顯比LEACH要小，在運(yùn)行輪數(shù)為1 000的情況下，LEACH-OE比LEACH能量消耗要少21%左右，如圖可知，最終網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)全部死亡的時(shí)候網(wǎng)絡(luò)總的能量消耗是相等的，運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)更有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

　　為提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，本文提出了一種基于能量和奇偶輪的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（LEACH-OE），在奇數(shù)輪成簇的過(guò)程中，簇首的選擇考慮到節(jié)點(diǎn)的能量因素，選擇能量更高的節(jié)點(diǎn)作為簇首，在偶數(shù)輪直接選擇能量最高節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)。通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)LEACH和LEACH-OE在能量消耗、運(yùn)行輪數(shù)方面進(jìn)行比較。結(jié)果表明，LEACH-OE協(xié)議在負(fù)載均衡和能量消耗方面有很大的改善，可以有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

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