王亭 王瑩瑩 陳曉磊

【摘要】 針對WSN能耗進行研究，在簇頭選擇過程中利用節(jié)點的能量、鄰節(jié)點數(shù)以及簇頭數(shù)等參數(shù)設(shè)置節(jié)點當選簇頭的優(yōu)先度；在簇的組建過程中利用能量參數(shù)設(shè)置簇的重建條件，達到減小簇的重建頻率的目的，有效地防止網(wǎng)絡(luò)中熱點問題的出現(xiàn)。

【關(guān)鍵字】 WSN LEACH 分簇機制

一、引言

在WSN的研究中，良好的分簇機制能有效實現(xiàn)路徑的選擇及資源管理，減少節(jié)點維護拓撲和廣播數(shù)據(jù)的能耗 [1]。目前針對LEACH的研究正在深入。

Kim等人提出使用代理簇頭，當數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎拇笥陂撝禃r，則采用代理簇頭進行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸過程的準確性，其中，代理簇頭為距離簇頭最近的且能量最高的節(jié)點[2]。

Ma Chaw Mon Thein等人提出利用節(jié)點的當前能量與初始能量以及簇頭的個數(shù)影響閾值，保證簇頭有足夠的能量完成網(wǎng)絡(luò)的運行（簡稱為“Kopt算法”）[3]。目前關(guān)于LEACH算法的改進已經(jīng)取得顯著的成就，但在網(wǎng)絡(luò)能量的均衡分布以及能量利用率方面有待提高。

二、算法的改進

針對目前分簇算法存在的問題，改進算法利用節(jié)點的能量、鄰節(jié)點數(shù)、網(wǎng)絡(luò)中簇頭的個數(shù)以及節(jié)點間的距離等，針對簇頭的選擇提出改進方案，達到延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

2.1 簇頭選擇

利用節(jié)點的當前能量、初始能量以及每一輪簇頭個數(shù)影響，選出候選簇頭，然后計算每個節(jié)點的鄰節(jié)點數(shù)，及節(jié)點的鄰節(jié)點數(shù)的平均值，在時，將此節(jié)點選為簇頭。其中閾值計算方法如下所示：

2.2 簇的重建

網(wǎng)絡(luò)以輪的方式運行，每輪開始前，對當前簇內(nèi)的能量以及簇頭能量進行比較，當簇內(nèi)節(jié)點總能量滿足所需值，且SCH.E≥Eth則說明簇內(nèi)的節(jié)點能夠保證下一輪的網(wǎng)絡(luò)運行，則網(wǎng)絡(luò)直接進入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸階段。反之則進入簇頭的重新選擇以及簇的重建階段。其中，第r輪節(jié)點的能量閾值Eth的計算公式如下：

2.3 算法分析

在LEACH算法的基礎(chǔ)上，采用新型的簇頭選擇機制保證節(jié)點能量負載的均衡化，同時通過對簇的重建條件的設(shè)置降低了網(wǎng)絡(luò)的拓撲的變化頻率，使網(wǎng)絡(luò)能量得到有效利用。該算法的優(yōu)點主要有：

（1）降低簇的重建次數(shù)；通過對網(wǎng)絡(luò)能量閾值的設(shè)置，在簇節(jié)點以及簇頭的能量不能保證網(wǎng)絡(luò)下一輪運行時重新構(gòu)造簇，降低網(wǎng)絡(luò)的重建頻率，減少構(gòu)造簇消耗的能量，有效的延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。

（2）簇頭的選擇不完全是隨機的；在保證節(jié)點有相同的機會當選簇頭的前提下，根據(jù)每輪節(jié)點的剩余能量、鄰節(jié)點數(shù)等參數(shù)設(shè)置其當選簇頭的優(yōu)先度；以使簇頭均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)中，避免剩余能量低的節(jié)點作為簇頭，有效的防止網(wǎng)絡(luò)空洞的出現(xiàn)。

三、仿真實驗

本文對改進算法和LEACH、Kopt算法進行了仿真和性能比較。實驗顯示，LEACH、Kopt算法、改進算法的第一個節(jié)點死亡（FND）分別為133、205、194，一半節(jié)點死亡（HND）為402、511、1077、全部死亡（LND）為1087、1294、大于1500。由此可見，三種算法FND時間差不多，改進算法可以顯著地延長網(wǎng)絡(luò)HND、LND的死亡時間，即隨著網(wǎng)絡(luò)運行時間的增加，使用改進算法的網(wǎng)絡(luò)與使用LEACH、Kopt算法的網(wǎng)絡(luò)相比，不僅可以使簇頭均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)中，使能量消耗均勻的分布在各節(jié)點上，達到平衡網(wǎng)絡(luò)負載的目的，使網(wǎng)絡(luò)的能量得到均衡的利用，而且有效地提高能量利用率，顯著的延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

四、結(jié)束語

本文針對LEACH算法進行改進，針對簇頭選擇提出改進方案，使網(wǎng)絡(luò)中簇頭的分布更加均勻，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)拓撲的重建頻率，網(wǎng)絡(luò)的能量利用率更加高效。

參 考 文 獻

[1] Kumarawadu P et al. Algorithms for Node Clustering in Wireless Sensor Networks： A Survey [C].Information and Automation for Sustainability， 2008： 295 – 300.

[2] K.T. Kim， et al. An Energy Efficient Routing Protocol in Wireless Sensor Networks”. International Conference on Computational Science and Engineering， pp.132-139， 2009.

[3]Ma Chaw Mon Thein.et al An Energy Efficient Cluster-Head Selection for Wireless Sensor Networks [C].Intelligent Systems， Modelling and Simulation， 2010： 287 - 291.