摘  要： 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，在研究LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種新的優(yōu)化的分簇多跳算法。該算法使用能量因子修正了LEACH協(xié)議中的的閾值，產(chǎn)生簇頭。再將選好的簇頭以距離最短為原則生成一條基站到各簇頭的鏈，采集的數(shù)據(jù)在簇頭融合后按生成的鏈以多跳的方式提交給基站。MATLAB仿真結(jié)果顯示，該協(xié)議能有效地延長網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH協(xié)議；分簇協(xié)議；多跳網(wǎng)絡(luò)

　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。但是這些傳感器節(jié)點體積小，能量有限，不能更換電池，因此，將最大限度延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期作為一個路由協(xié)議的評價標準。從網(wǎng)絡(luò)的拓撲角度分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議。對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)而言，分簇的層次路由協(xié)議相比于平面路由協(xié)議，其采用簇頭節(jié)點的融合功能有效地減少了數(shù)據(jù)通信量，從而顯著延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命時間。LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[2]協(xié)議是一種典型的分簇層次路由協(xié)議。LEACH中簇頭節(jié)點的選擇是隨機產(chǎn)生的，沒有考慮到節(jié)點的剩余能量，另外從簇頭到基站采用的是單跳的方式，當距離遠時，能量消耗太快。本文基于以上兩點對簇頭進行了優(yōu)化。
1 LEACH協(xié)議概述
1.1 LEACH算法
　LEACH是Heinzelman等為WSN設(shè)計的，仿真表明，它與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分簇路由協(xié)議相比，無論是第一個節(jié)點死亡的輪數(shù)和最后一個節(jié)點死亡的輪數(shù)都提高了3倍[3]。LEACH的每輪分為簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段兩個部分。為節(jié)省能量，一般數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時間要大于建立時間。
1.1.1 簇的建立階段
　設(shè)某個時刻t，每個傳感器節(jié)點在第r輪時從（0，1）之間選擇一個隨機數(shù),如果選定的值小于某個閾值Kn(t)，這個節(jié)點就成為簇首節(jié)點，Ki（t）由式（1）計算得到。

表示節(jié)點總數(shù)，k為分簇數(shù)。在第1輪中每個節(jié)點成為簇頭的概率為p，選出的簇節(jié)點個數(shù)都為N×p。在接下來的N/k－1輪中不會當選簇頭，利用式（1）計算可知，在沒有節(jié)點死亡時每輪選出的簇頭都為N×p，但實際中有一定的波動。選為簇頭的節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)廣播信息，通知產(chǎn)生了一個新簇頭，接收到信息的節(jié)點根據(jù)信號的強度選擇一個距離其最近的簇頭，并告知簇頭節(jié)點，最后，簇頭采用TDMA方法為簇中每個節(jié)點分配向其傳送數(shù)據(jù)的時間片。
1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸階段
　傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合將結(jié)果直接發(fā)送到基站。
1.2 網(wǎng)絡(luò)模型和最優(yōu)簇頭數(shù)的計算
　網(wǎng)絡(luò)由N個隨機部署的傳感器節(jié)點組成，同時有以下假設(shè)：（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)為高密度靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點和基站部署后均不再發(fā)生位置移動，基站唯一，而且基站的能量是無限制的，其他節(jié)點有相同的能量；（2）節(jié)點具備數(shù)據(jù)融合功能，每個傳感器節(jié)點都有一個唯一的標識（ID）；（3）節(jié)點可以根據(jù)接收方距離的遠近調(diào)整其發(fā)射功率以減小能量消耗。LEACH協(xié)議采用的一階無線電模型，當發(fā)送距離較近時（d≤d0），采用自由空間信道模型；當發(fā)送距離較遠時（d>d0），采用多路徑衰減模型。具體如下：

　
　根據(jù)式（9）可知，最優(yōu)簇頭數(shù)與分布的節(jié)點數(shù)成正比，與到基站的距離成反比。這代表著最優(yōu)簇頭隨節(jié)點數(shù)的增加而增大，另外，離基站越遠，簇頭數(shù)越少，因此，向基站傳送數(shù)據(jù)必須先進行融合，再進行傳輸，這樣才能最大程度地節(jié)省能量。當節(jié)點部署在100×100正方形區(qū)域，基站在坐標（50，175）位置時，基站到簇頭的最小距離是75 m，最大距離是185 m，則最佳簇頭數(shù)的范圍為1~6，取5，則popt=0.05。
2 優(yōu)化的協(xié)議
　根據(jù)上面的分析可知，LEACH協(xié)議中簇頭的選擇是隨機產(chǎn)生的，每個節(jié)點每次傳輸信息消耗的能量是不同，雖然每個節(jié)點都得到了均衡的使用，但每個節(jié)點的剩余能量不同，這使得部分節(jié)點提前耗盡能量，網(wǎng)絡(luò)進入不穩(wěn)定期。另外，LEACH協(xié)議采用單跳的方式傳輸信息，當簇頭離基站較遠時，使部分節(jié)點的能耗加大，壽命縮短。針對LEACH協(xié)議的這些缺陷，提出了新的協(xié)議。該協(xié)議的基本思想是對LEACH協(xié)議的簇頭進行優(yōu)化，并形成多跳機制進行數(shù)據(jù)傳輸。與LEACH協(xié)議相近，本協(xié)議也采用了輪，每輪分為簇的建立和穩(wěn)定傳輸兩個階段。在簇的建立階段引入了節(jié)點剩余能量和估計能量的比值EE，對LEACH協(xié)議中的閾值Ki（t）進行優(yōu)化，選出初級簇頭。然后以距離最近的原則選出離基站最近的節(jié)點為超級節(jié)點，再采用貪婪算法將初級簇頭組成一條鏈，每個節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳給初級簇頭進行數(shù)據(jù)融合后沿著鏈最后發(fā)給基站。該算法不僅考慮了節(jié)點的剩余能量，同時以最小的代價將數(shù)據(jù)傳給基站，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命。
2.1 簇的建立

　LEACH協(xié)議在簇頭選擇過程中，每個節(jié)點都要產(chǎn)生一個0~1的隨機數(shù)與閾值Ki（t）進行比較，小于閾值則選為簇頭。參考文獻[4]通過先用LEACH協(xié)議產(chǎn)生臨時簇頭，再根據(jù)節(jié)點的平均能量和質(zhì)心位置去優(yōu)化選簇，這就需要額外的廣播信息告知自己的位置信息和能量信息，還要進行大量的計算，使簇的建立階段浪費了許多能量。因此，基于既要考慮節(jié)點的剩余能量，又要降低開銷的思路，引入了節(jié)點剩余能量和估計能量的比值EE，其計算式如下：

　其中，r為當前運行的輪次，N0為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的預計運行輪次，E0為節(jié)點的初始能量，Ei為節(jié)點i的剩余能量。使每個節(jié)點產(chǎn)生的隨機數(shù)與Ki′（t）相比較，剩余的能量越大，比值EE越大，當選簇頭的可能就越大；反之，剩余的能量越小，比值EE越小，當選簇頭的可能就越小，從而避免了低能量節(jié)點能量耗盡。當選簇頭的節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)廣播信息，通知產(chǎn)生了一個新簇頭，接收到信息的節(jié)點根據(jù)信號的強度選擇一個簇頭，并告知簇頭節(jié)點。
　此外，各簇頭節(jié)點向基站發(fā)送廣播信息，基站根據(jù)信號的強度選與其距離最近的節(jié)點為超級節(jié)點，并給選定的超級節(jié)點發(fā)信息，超級節(jié)點根據(jù)各簇頭節(jié)點廣播的信息，選擇最近的簇頭節(jié)點為下一跳，并發(fā)送廣播通知下一節(jié)點，下一節(jié)點重復同樣的操作，直到所有的簇頭加入鏈。
2.2 穩(wěn)定傳輸階段
　傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節(jié)點，鏈中最后一個簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，將結(jié)果傳送到鏈中的下一簇頭節(jié)點，下一級簇頭節(jié)點接收到所有簇內(nèi)節(jié)點和簇頭節(jié)點的信息后進行數(shù)據(jù)融合，再傳到鏈中的下一個簇頭節(jié)點。進行反復操作，直到超級節(jié)點融合數(shù)據(jù)后直接發(fā)送到基站。
3 仿真結(jié)果分析
　實驗采用MATLAB進行仿真，模擬實現(xiàn)了LEACH和本文提出的優(yōu)化的新協(xié)議的性能比較。仿真主要參數(shù)如下：100個節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域中，基站位于（50，175）。式（9）選定的最佳簇數(shù)為5，則簇頭的概率p=0.05，節(jié)點的預計運行輪次N0=1 500輪。其他主要參數(shù)如表1所示。

　圖1給出了優(yōu)化的新協(xié)議與LEACH協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存周期的比較，以仿真輪數(shù)代表時間。LEACH協(xié)議和新協(xié)議的第一個節(jié)點死亡出現(xiàn)的輪數(shù)分別為667、961，半數(shù)節(jié)點死亡的輪數(shù)分別為913、1 117，最后一個節(jié)點死亡的輪數(shù)分別為1 719、1 494。從圖1中可以看出，新協(xié)議第一個節(jié)點死亡的輪數(shù)和半數(shù)節(jié)點死亡的輪數(shù)都比LEACH長，尤其是第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)的時間比LEACH長了44%。
　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，將從仿真開始到第一個節(jié)點死亡的時期稱為穩(wěn)定期，該值越大，網(wǎng)絡(luò)的性能越好。將第一個節(jié)點死亡到全部節(jié)點死亡稱為不穩(wěn)定期，不穩(wěn)定的長短表明了網(wǎng)絡(luò)的收斂性，不穩(wěn)定期越長，網(wǎng)絡(luò)性能越長。從圖1中還看到，新協(xié)議比LEACH協(xié)議有更好的收斂性。
　根據(jù)結(jié)果分析出主要的原因，一方面是對于簇頭的優(yōu)化，另一方面是采用多跳的傳輸技術(shù)比較節(jié)省能量，并且使能量的分布更加均衡，從而使第一個死亡節(jié)點出現(xiàn)時間比較晚，同時使網(wǎng)絡(luò)有了很好的收斂性。
本文在分析LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種簇頭優(yōu)化協(xié)議，仿真結(jié)果顯示，第一個節(jié)點死亡的時間相比LEACH協(xié)議有了很大提高，同時，網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定期縮短，有很好的收斂性，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。
參考文獻
[1] 孫利民. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學出版社，2005.
[2] HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A， BALAKRISHNAN H. Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]. Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences， 2000.
[3] HEINZELMAN W R. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2002， 1（4）：660-670.
[4] 張品，徐智福，孫巖.一種新的基于簇頭的WSN路由協(xié)議[J].傳感技術(shù)學報，2009（7）：1013-1017.