多跳路由机制的改进LEACH路由协议研究

涂 朴 赵全军



多跳路由机制的改进LEACH路由协议研究

涂 朴1赵全军2

1.四川文理学院达州智能制造产业技术研究院，四川 达州 635000 2.四川文理学院智能制造学院，四川 达州 635000

选择LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch）协议为重点研究目标。对LEACH协议做了两点改进：一是对簇头选举时的门限值进行了优化；二是引入了簇头多跳路由机制。最后通过仿真证明了改进方法的有效性，在节省能量消耗和BS的吞吐量性能方面有了明显的改善。

无线传感网络；路由协议；能量损耗；吞吐量

无线传感器网络是由低成本，低功率，尺寸小并且具有自组织网络的一种短距离传输传感器采集的小流量数据。因此网络节点的能量问题、通信传输协助问题、数据融合的安全问题等就显得尤为重要。如何设计出高效节能的路由协议来延长整个网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题之一。

传感器网络的路由协议是与传统网络截然不同的。其路由协议设计是很具挑战性的。本文选择LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch）协议为重点研究目标[1]。它的基本思想是协议选择簇头节点时，采用随机循环地动态方式，这样做的目的是希望达到将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。

1 LEACH协议

无线传感网络的LEACH协议需不断地循环执行簇重构。每个重构过程分成两个阶段：簇的建立阶段和网络簇传输数据的稳定阶段。这两个阶段需要稳定阶段的持续时间长于建立阶段的持续时间，这样以便于节省资源开销。

在簇建立阶段，将所有节点划分为若干簇，每个簇选举一个首领。每个节点选取一个介于0和1之间的随机数。如果这个数小于计算出来的门限值，该节点成为簇头领。网络各个未成为簇头的节点判断自身是否成为簇头，若节点成为簇头，再向网络所有节点广播自己成为簇头的消息；根据收到广播信号的强弱，每个节点决定加入哪个簇，然后节点将决定加入簇头的信息发给簇头。簇头采用TDMA方式为每个节点分配时隙并告知节点，节点可以在指定的时隙内向簇头发送数据，进入簇稳定阶段。

在LEACH协议簇稳定阶段，簇头聚合簇内节点发过来的数据并将数据直接传输给BS，这种一跳路由这种机制虽然减少了网络时延，但簇头消耗能量过大。而且有些簇头节点距离BS近，有些簇头节点距离BS远，这就导致了不同的簇头节点传输数据所消耗能量的差异，离BS远的节点由于消耗比较大的功率而导致生存时间减短。对于传感器网络来说，除了要求网络中节点能量的平衡消耗外，更要求整体能量消耗最少。

2 LEACH协议改进方案

2.1 对LEACH协议簇形成阶段的改进

研究表明，簇头在LEACH协议中的作用比较重要。由于它要消耗较多的能量，因此LEACH协议选择簇头节点时，采用随机循环地动态方式，这样做的目的是希望达到将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中。因此，本文从判决门限值值入手，改进方案如下：

2.2对LEACH协议簇稳定阶段的改进

传感器网络中存在两种能量损耗模型的：一种是Friss free space model（发送方和接收发距离小于界限值时），一种是Two-Ray Ground model（发送方和接收发距离大于界限值时）。Friss free space model时，能量损耗与成正比；Two-Ray Ground model时，能量损耗与成正比。[2，3]中的多跳路由协议只考虑到这种情况，并未考虑到即距离四次方这种情况，而节点与节点之间距离，节点与BS之间距离大于这种情况在传感器网络中是很可能存在的（比如分布区域比较大；随着节点的死亡，节点之间距离相对加大，从而大于界限值），因此必须要考虑到这种情况。

在实际的网络拓扑图中，由于非线性衰减的原因，在传输信息过程中，采用中间节点转发的多跳传输能量比以两节点直接采用大功率传输消耗更少的能量。因此满足这样条件的一条最优路径是有可能存在的。若把多跳路由算法适当的应用到LEACH协议中，可以减小整体网络的能量消耗，延长了网络的生存时间。尽管多跳路由增加了中转复杂度，但是考虑到传感器网络能量受限的情况下，增加这点复杂度是值得的。因此本文选择在簇头之间实现多跳路由机制。

实现多跳路由机制有个前提条件：每个节都可以通过全球卫星定位系统GPS获得自己的位置坐标[4-5]，并且还可以获得网络中其他节点的位置坐标，这样节点才能计算出到其他节点之间的距离，从而能够选择最佳路径。

3 仿真结果及分析

本文选取50个节点，分别在200m×200m和300m×300m的两种区域内，对网络剩余总能量与轮数关系以及得到BS收到的数据与轮数的关系比较进行仿真，结果如下图1和2所示。

通过图1仿真结果表明：①随着分布范围的扩大，能量损耗急剧增加，这也说明距离对于能量损耗的影响很大；②在网络开始的很长一段时间内，改进后的协议每轮的平均能量消耗明显少于改进前的LEACH协议，这是因为：距离是影响能量损耗的主导因素，而本文采用的簇头多跳算法使得节点消耗更少的能量，因此改进后协议的整体能量消耗低于LEACH协议。③在总能量接近耗尽时，改进后的协议能量消耗要快于LEACH协议。这是因为：在LEACH协议中，节点距离BS距离较远的能量损耗快，这些节点可能提前死亡。在总体能量快耗尽时，存活的节点是距离BS较近的一些节点，因此能量消耗速度减缓了；改进后的协议均衡了节点能量消耗，总体能量快耗尽时，存活的节点也包括了距离BS较远的节点，而距离BS较远的节点能量消耗要大些。

通过图2仿真结果表明，改进后协议的吞吐量有了较大的提高，尤其随着分布区域的扩大，改进后协议BS的吞吐量优势就特别明显。这是因为改进后的协议可以均衡整个网络的能量消耗，因此BS采集到的数据也就明显提高了。同时也可以看到，分布区域越大，能量损耗的越快，网络的生存期就越短，所以BS接收到的有效信息量就越少了。

4 总结

本文分别对改进后的LEACH协议和LEACH协议进行仿真、比较分析。仿真中，分别在200 m×200 m和300 m×300 m两种分布区域内进行了网络总体能量消耗、BS的吞吐量仿真，改进后的协议与LEACH协议的环境参数设置均相同。通过仿真结果表明：改进后的协议与LEACH协议，从节省消耗、BS的吞吐量等方面验证了本文所提出的改进算法整体性能确实优于LEACH 协议。本文提出的改进算法以牺牲网络的延迟时间为代价获得的，但是从整体性能分析来看，付出这一代价是值得的。

[1]Ji P，Wu C，Zhang Y，et al. A low-energy adaptive clustering routing protocol of wireless sensor networks[C]//Wireless Communications，Networking and Mobile Computing（WiCOM），2011 7th International Conference on. IEEE，2011：1-4.

[2]Ettus M. System capacity，latency，and power consumption in multihop-routed SS-CDMA wireless networks[C]//Radio and Wireless Conference，1998. RAWCON 98. 1998 IEEE. IEEE，1998：55-58.

[3]Zhao J，Erdogan A T，Arslan T. A novel application specific network protocol for wirele ss sensor networks[C]//2005 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. IEEE，2005：5894-5897.

[4]Bulusu N，Heidemann J，Estrin D. GPS-less low-cost outdoor localization for very small devices[J]. IEEE personal communications，2000，7（5）：28-34.

[5]Stoleru R，He T，Stankovic J A. Walking GPS：A practical solution for localization in manually deployed wireless sensor networks[C]//Local Computer Networks，2004. 29th Annual IEEE Interna tional Conference on. IEEE，2004：480-489.

Research on Improved LEACH Protocol with Multi hop Routing Mechanism

Tu Pu Zhao Quanjun

1.DaZhou Industrial Technology Institute of Intelligent Manufacturing，Sichuan University of Arts and Science，Sichuan Dazhou 635000 2.School of Intelligent Manufacturing，Sichuan University of Arts and Science，Sichuan Dazhou 635000

In this paper，we choose LEACH protocol as the key research object. The LEACH protocol is improved by two points：first，the threshold value of cluster head election is optimized；Second，the mechanism of cluster head multi hop routing is introduced. Simulation results show that the improved method is effective in saving energy consumption and throughput performance of BS.

wireless sensor network；routing protocol；energy loss；throughput

TP393

A

1009-6434（2016）11-0062-03

涂朴（1984—），女，四川省达州市人，硕士，讲师，主要从事无线传感网、智能控制方向的研究。赵全军（1981—），男，四川省达州市人，硕士，讲师，主要从事无线网络通信方向的研究。

四川省教育厅项目（14ZB0314）；四川文理学院校级项目（2014Z004Y）。