基于最優(yōu)簇頭數(shù)的LEACH 算法的改進

羅丹霞 湖南工學院計算機與信息科學學院

1 LEACH 路由協(xié)議

LEACH 路由協(xié)議是分層的傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議。該算法的基本思想是[1]：在簇生成階段，各節(jié)點（SN）隨機選取一個介于（0，1）之間的值，若該值小于閾值T（n），則該節(jié)點成為簇頭(CH)。閾值T（n）的計算公式如下：

公式1：閾值計算公式

由于簇頭選取的隨機性，有以下四個缺點：

（1）簇頭分布不能保證均衡。（2）每輪簇頭數(shù)量隨機。（3）簇頭的選取沒有考慮節(jié)點的剩余能量。（4）簇頭與BS 通信采用單跳的方式。

2 改進后的LEACH-EN 算法原理設計

2.1 最優(yōu)簇頭數(shù)的計算

在 L E A C H 協(xié)議算法中，采用第一順序無線電信道模型。

根據(jù)此模型，傳感器節(jié)點發(fā)送Kbit 字節(jié)的能量消耗為：

一般認為BS 距離節(jié)點較遠，所以采用多徑衰減模型即d4進行計算。

每個非簇頭節(jié)點僅僅需要將自己的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭節(jié)點。由于簇頭節(jié)點和非簇頭節(jié)點間的距離相對較近，所以能量消耗遵循自由空間衰減信道模型。每個非簇頭節(jié)點消耗的能量為：

這樣，一個簇在一幀內(nèi)的能耗為

2.2 LEACH-EN 準備階段

圖1 節(jié)點分布圖

本文采用九宮格區(qū)域劃分法，假設基站位于區(qū)域上方（50，100）的位置。初始化時每個節(jié)點根據(jù)自己的位置判斷所在方格，保存自身到基站的距離。算法如下：

for i=1：i：n

if(i 的坐標位于區(qū)域1)

s(i).area_id=1；

……..

if(i 的坐標位于區(qū)域9)

2.3 LEACH_EN 簇頭選舉

為了修正原來算法中簇頭選取沒有考慮節(jié)點的剩余能量，結(jié)合最優(yōu)簇頭數(shù)，本文修正簇頭選舉閾值公式2 為：

公式2 改進后的閾值公式

簇頭選擇偽碼如下：

IF 輪數(shù)r 為奇數(shù)

For i=1：1：n

If 節(jié)點i 格子編號在2，6，6，8，5&&節(jié)點i 的剩余能量大于該區(qū)域平均能量&&該區(qū)域未有簇頭

該節(jié)點當選簇頭

Else

For i=1：1：n

If 節(jié)點i 格子編號在1，3，5，7，9&&節(jié)點i 的剩余能量大于該區(qū)域平均能量&&該區(qū)域未有簇頭 該節(jié)點當選簇頭

3 仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 仿真模型

本文使用MATLAB[5]對LEACH-EN 進行了仿真，并和LEACH協(xié)議進行了對比，仿真主要參數(shù)如表1：

表1 仿真參數(shù)

數(shù)據(jù)包的大小為2000 bit，簇頭的數(shù)據(jù)壓縮率為 0.7，即有 2 000 bit 數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭，經(jīng)簇頭處理之后就將1400 bit 傳給簇頭中繼。數(shù)據(jù)融合消耗的能量為 5 J/bit/message，傳輸?shù)哪芰繛?50 nJ/bit。

3.2 LEACH 協(xié)議與LEACH-EN 仿真結(jié)果對比

圖2 的結(jié)果是因為改進后的LEACH-EN 才用了多跳于單挑相結(jié)合的通信方式，使得簇頭有節(jié)點較為有效地節(jié)約了能量。另外分簇結(jié)構(gòu)更合理，使得網(wǎng)絡總的信息處理量要小，故而節(jié)約了能量。

圖2 總能量消耗對比

圖3 所示改進后的協(xié)議在提高網(wǎng)絡生存時間上有所提高。這是因為合理的分簇能夠有效地均衡網(wǎng)絡能量，使得整個網(wǎng)絡生命周期得以延長。

圖3 網(wǎng)絡生存時間對比