基于距离权重的LEACH协议的改进协议

李晓冬　李淑明　姜玉亭

【摘 要】针对LEACH协议存在的簇头随机选择，未考虑节点与基站距离不同导致节点能量消耗不均衡的问题，提出了一种基于距离权重的改进协议LEACH-D。改进协议在节点当选簇头的概率阀值中加入距离权重，使距离基站越近的节点当选簇头的概率越高。仿真表明，改进后的协议有效延长了网络生存时间，提高了能量有效性。

【关键词】无线传感器网络；LEACH协议；距离权重；生存时间；能量有效性

【Abstract】Aiming at the problem that the cluster head is randomly selected in the LEACH protocol， and the node energy consumption is not balanced due to the different distance between the node and the base station， an improved protocol LEACH-D based on distance weight is proposed. The improved protocol adds the distance weight to the probability threshold of cluster head selection， which makes the probability of being chosen as the cluster head is higher if the node is nearer to the base station. Simulation results show that the improved protocol effectively prolongs the network lifetime and improves the energy efficiency.

【Key words】Wireless sensor network；LEACH protocol；Distance weight；Lifetime；Energy efficiency

0 引言

无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）[1]是一种由大量低功率传感器节点（一般使用电池供电）和基站临时构建的自组织网络，该网络通过传感器节点监测、采集网络所在区域的相关信息并发送给基站，再通过基站传输给用户。传感器节点的能量很有限，但经常被投放于人类难以方便抵达的区域，电池的充电或更换很困难，因此在为无线传感器网络设计路由协议时，如何能够最大限度的节约能量以延长网络生存时间、获取更多的监测数据成为重点需要解决的问题。

对于WSN的路由协议而言，评价其性能的指标有很多，其中最受关注的有以下两条[2]：

1）网络的生存时间。无线传感器网络的生存时间指的是从网络开始运行到网络中所有节点能量全部耗尽所持续的时间，该时间越长越好。

2）能量有效性。无线传感器网络的能量有效性指的是网络节点在有限的能量下能够收集、处理、发送的数据量，该数据量越大约好。

LEACH协议是主要针对以上两个指标提出的一种基于多簇结构的分层路由协议[3]，该协议以“轮”的形式周期性的按一定概率随机选择簇头，通过簇头对簇内节点的数据融合与转发机制减少了数据的传输量和传输距离从而提高了能量有效性，同时通过簇头的轮换，保证了所有节点有相同的机会当选簇头，在一点程度上保障了网络能量的均衡性从而增加了网络的生存时间。有研究表明，相对传统的以数据为中心的路由协议，LEACH协议可增加15%的网络生存时间[4]，能量有效性提高4-8倍[3]。

1 LEACH协议分析

LEACH协议以“轮”为周期进行循环运行，每一轮分为簇头建立和稳定传输状态两个阶段，如图1所示。

式中：P为节点成为簇头节点的百分比，r为当前轮数，G为在最近的1/P轮中未当选簇头的节点集合（即每个节点在1/P轮中只能有一次机会当选簇头）。LEACH协议的优点前面已叙述，其缺陷在于簇头的选举以等概率进行，网络中每個节点都有相同的机会成为簇头，这样看似平等，实际并未考虑节点与基站的距离对协议性能的影响。对于距离基站更远的节点而言，其与基站通信的能量消耗必然更大，如果这样的节点仍然以同样的概率当选簇头，最终后果就是距离基站越远的节点越早死亡。对此我们使用matlab软件对LEACH协议进行了仿真分析，使用的无线能量损耗模型参照文献[5]，使用的网络参数为：节点数100，区域200m×200m，基站坐标（100m，100m），控制包长度32bit，数据包长度4000bit，节点初始能量0.5J，Eelec=50nJ/bit，EDA=5nJ/bit，efs=10pJ/bit/m2，emp=0.0013pJ/bit/m4。从图2知，随着网络运行轮数的增加，存活下来的节点与基站的平均距离越来越近，也就是说距离基站越远的节点死亡时间越早，这符合我们的分析预期。

2 LEACH协议的改进

首先第一轮为临时轮，临时轮采用与LEACH协议的运作方式相同，只是发送的数据中加入了每个节点的坐标，这是很容易实现的，只需配备GPS定位即可。当基站在临时轮接收完网络中的所有数据后就能知道网络中所有节点的坐标，基站根据这些数据及自身坐标计算出最近的节点距离Dmin、最远的节点距离Dmax、及中间距离Dmid=（Dmax-Dmin）/2并将这些信息和基站自己的坐标一起广播给全网节点，随后进入正式轮循环：网络中某个节点n根据自己坐标和基站坐标计算出两者之间的距离Dn，并以此距离为权重计算出自己所处位置的簇头百分比P（Dn），由式（2）确定。相应的节点n当选簇头的阀值T（n）也转变为式（3），这样距离基站越远的节点当选簇头的概率越低，从而避免了其过早死亡，需要注意的是，G仍然定义为在最近的1/P轮中未当选簇头的节点集合。

为了评价改进算法的性能，利用matlab对相同状态下的LEACH协议和LEACH-D协议进行仿真比较。由图3可知， LEACH协议首个节点死亡的时间为第274轮，LEACH-D协议则为第369轮；50%节点死亡的时间LEACH协议和LEACH-D协议分别为第514轮和第684轮，经过1038轮后LEACH协议全部节点死亡，而LEACH-D协议则延长到了第1250轮，网络生存时间有了明显提高。

3 结束语

针对LEACH协议选择簇头未考虑节点与基站距离对节点能量消耗不均衡的影响，本文提出了一种基于距离权重的LEACH协议的改进协议，通过仿真可知，改进的LEACH-D协议能够长网络生存时间，提高能量有效性。

【参考文献】

[1]AKYILDIZ I F，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al.Wireless sensor network：A survey[J].Computer Networks，2002，38（4）：393-44.

[2]陈楠.无线传感器网络LEACH算法的研究与改进[D].北京邮电大学，2008：16.

[3]HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.Energy-efficient communication protocol for wireless micro sensor networks[C]//Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences.Maui，HI，2000：1-10.

[4]YU Y，ESTRIN D，GOVINDAN R.Geographical and energy-aware routing：A recursive data dissemination protocol for wireless sensor network[R].UCLA-CS TR-01-0023.Los Angeles：University of California，2001：1-11.

[5]Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Trans.Wireless Comm，2002，4（1）：660-670.

[責任编辑：田吉捷]