基于矿井中LEACH的无线传感器网络节能改进算法

摘要：为了最大限度延长无线传感器网络的使用寿命，本文分析了LEACH协议并在此基础上提出了一种新算法。该算法主要在簇首选取上进行了改进。簇首选择由原来的随机选取到现在的固定放入。理论和仿真结果证明，该算法要优于LEACH协议，使整个网络的生命周期延长。
论文关键词：无线传感器网络,LEACH协议,节能,簇首

　　无线传感器网络是集数据采集、融合、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。它综合了微电子技术、无线通信技术、分布式信息处理技术、传感器技术等先进技术，以数据为中心，能够实时监测、感知、采集、融合和处理各种环境参数，然后通过无线通信把信息发送到基站，然后再传给用户。它的这些优势在我国的煤矿工业中有着广阔的应用前景。

　　传感器节点是无线传感器网络的核心部分，它的电源采用的是电池供电。由于工作环境恶劣，电源是不能充电、不可更换的。因此，如何高效节能就显得特别重要。

　　目前，国内对传感器网络节能的研究基本上可以分为基于MAC协议节能策略、基于路由协议节能策略和基于网络拓扑控制节能策略三大类［1］。

　　1 LEACH协议分析

　　国内外研究人员对路由协议的研究主要分为平面路由协议和层次路由协议两大类。LEACH（Low－Energy Adaptive Clustering Hierachy）是第一个在无线传感器网络中提出的层次路由协议，它是层次路由协议分析的典型代表。该协议首先提出了“轮”的概念，每一轮包含簇的建立和稳定运行两个阶段［4］。在簇的建立阶段，每个节点分别随机产生一个0～1之间的数，若该数小于某一阈值，则此节点成为簇首并及时向周围广播其当选消息，其它节点根据收到信号的强弱选择要加入的簇，并通知所选簇首；在稳定运行阶段，簇内节点将监测数据直接传送给簇首，簇首对收集到的数据进行融合处理，然后通过一跳通信发送给基站。

　　由上可见，LEACH协议具有以下优点：运用分簇式路由协议减少了数据量的发送；减少了参与路由计算的节点数目；簇首节点周期轮选等。尽管 LEACH 具备以上优点，但也存在一些问题：

　　（1） 簇首选择具有随机性。簇首与簇首之间相距过远或过近，都增加了节点的传输消耗；

　　（2） LEACH协议要求簇首与基站一跳通信。一跳通信就使得距离基站较远的簇首加大了能量消耗；

　　（3） 簇内簇首管理的节点数目不同。节点数目不同，簇首的死亡时间就不同，这样就使得网络的平衡程度下降。

　　2 节能改进算法

　　2.1设计思想

　　由于LEACH协议在簇首轮换中要消耗较高的能量，因此，本文在簇内簇首轮换上提出了一种新方法。其基本思想是：把簇划分好后，簇内节点分为簇首节点和普通节点两类。计算出各簇的最优簇首数K（由文献［6］知：在WSN中传感器节点总数为100个情况下，4～6个簇首数为最优取值范围），在簇内人为放入2K～3K簇首节点，当簇首剩余能量达到设定阈值时，当前簇首节点轮为休眠的普通节点，休眠的簇首节点被激活充当新的簇首。这样就减少了普通节点通过竞争选举新簇首所消耗的能量，从而延长了网络的生命周期。簇首轮换示意图和流程图如下：

　　普通节点簇首节点

　　图2.1 新簇首轮换示意图

　　

　　否

　　是

　　是

　　

　　否

　　图2.2 新簇首轮换流程图

　　2.2网络模型和相关定义

　　2.2.1网络模型

　　本文所有研究以如下网络模型为基础：

　　（1）整个区域内所有节点都是固定的，所有节点地位都是平等的且通信能力相同。

　　（2）簇内普通节点与簇首以单跳进行通信，距离基站（BS）远的簇首以多跳进行通信。

　　（3）所有节点只考虑发送和接收消耗的能量。

　　（4）簇首节点放入区域内时要标记Xcd。

　　2.2.2相关定义

　　Ei：簇首节点当前剩余能量值

　　E1：网络中设定的剩余能量阈值

　　Xcd：簇首节点编号

　　K：最优簇首数

　　2.3理论分析

　　由上图2.1和图2.2对LEACH算法簇首轮换和新算法簇首轮换进行理论分析。

　　定义变量如下：

　　ELEACH：LEACH算法簇首轮换能耗；

　　E：新算法簇首轮换能耗；

　　E簇首：轮换时簇首产生能耗；

　　E普节：轮换时普通节点产生能耗；

　　E随机：随机产生簇首时能耗；

　　E激活：休眠簇首被激活时产生能耗；

　　ETx：发送数据能耗；

　　ERx：接收数据能耗；

　　E广播：簇首广播信息产生能耗。(随着时间的增加，整个网络剩余能量也是越来越少，因此，E广播是一个随时间变化的函数。)

　　分析过程如下：

　　LEACH算法簇首轮换时，簇首广播轮换开始，普通节点接收到簇首广播后，随机选取簇首，此节点成为簇首并广播其当选消息，普通节点根据收到信号的强弱选择要加入的簇，并通知所选簇首。具体能量消耗式如下：

　　ELEACH = E簇首+ E普节式（2.1）

　　E簇首= E随机+ ETx + ERx + E广播式（2.2）

　　E普节= ETx + ERx式（2.3）

　　新算法簇首轮换时，当簇首剩余能量达到设定阈值，其簇内休眠的簇首被激活充当新簇首，并向簇内普通节点广播当选消息。具体能量消耗式如下：

　　E= E簇首+ E普节式（2.4）

　　E簇首= E广播+ E激活式（2.5）

　　E普节= ETx + ERx式（2.6）

　　从式（2.2）和式（2.5）可知ELEACH > E。所以本文提出的新算法延长了网络的生命周期。

　　3 仿真实验分析

　　本文利用matlab作为仿真工具，假设了一下场景：网络中传感器节点共300个，均匀分布在100m×100m的被测区域内。所有节点都是固定的。可用参数分布如下：

　　表3.1仿真参数设置

　　仿真参数

　　参数值

　　发送数据能耗（ETx）

　　5.0*10-8 J

　　接收数据能耗（ERx）

　　5.0*10-8 J

　　节点初始能量

　　2.0J

　　休眠簇首被激活时产生能耗（E激活）

　　1.0*10-5 J

　　随机产生簇首时固定能量消耗（E固定）

　　1.0*10-5 J

　　簇首广播信息产生能耗（E广播）

　　1.0*10-5 J

　　参数设置完成后进行仿真。仿真图如下所示：

　　

　　由上图可知，在t=400s时，E=600J，ELEACH =670J，由具体的数字可看出，新算法确实是节约了能量，延长了整个网络的使用周期。

　　4 结束语

　　本文分析了典型的LEACH算法，并在其基础上对簇首的选择进行了一些改进，从而实现了节能效果。