基于LEACH协议的簇头优化协议研究
张长宏;昝风彪;唐明虎
【摘 要】针对无线传感器网络的特点，在研究LEACH协议的基础上，提出了一种新的优化的分簇多跳算法。该算法使用能量因子修正了LEACH协议中的的阈值，产生簇头。再将选好的簇头以距离最短为原则生成一条到各簇头的链，采集的数据在簇头融合后按生成的链以多跳的方式提交给。MATLAB仿真结果显示，该协议能有效地延长网络的稳定期。%According to the characteristics of the wireless sensor network, on the basis of the research of LEACH, this paper puts forward a new protocol multi-hop clustering algorithm. The algorithm uses energy factor to fix the threshold value of LEACH, and produce the cluster head. Then the shortest distance principle is used to make a chain from base station to cluster head, the mixing data in cluster head is submitted to base station in the way of muhi-hop by chain. MATLAB simulation shows that the improved protocol can effectively prolong the stable time of network.
【期刊名称】《微型机与应用》
【年(卷),期】2012(031)019
【总页数】3页(P65-67)
【关键词】无线传感器网络;LEACH协议;分簇协议;多跳网络
【作 者】张长宏;昝风彪;唐明虎
【作者单位】青海民族大学计算机学院,青海西宁810007;青海民族大学计算机学院,青海西宁810007;青海民族大学计算机学院,青海西宁810007
【正文语种】中 文
【中图分类】TP393
无线传感器网络 WSN （Wireless Sensor Network）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统。目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络在军事和民用领域都有着非常广阔的应用前景[1]。但是这些传感器节点体积小，能量有限，不能更换电池，
因此，将最大限度延长网络的生命周期作为一个路由协议的评价标准。从网络的拓扑角度分为平面路由协议和分层路由协议。对于大规模网络而言，分簇的层次路由协议相比于平面路由协议，其采用簇头节点的融合功能有效地减少了数据通信量，从而显著延长了整个网络的生命时间。LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[2]协议是一种典型的分簇层次路由协议。LEACH中簇头节点的选择是随机产生的，没有考虑到节点的剩余能量，另外从簇头到采用的是单跳的方式，当距离远时，能量消耗太快。本文基于以上两点对簇头进行了优化。
1 LEACH协议概述
1.1 LEACH算法
LEACH是Heinzelman等为WSN设计的，仿真表明，它与一般的平面多跳路由协议和静态分簇路由协议相比，无论是第一个节点死亡的轮数和最后一个节点死亡的轮数都提高了3倍[3]。LEACH的每轮分为簇的建立阶段和数据传输阶段两个部分。为节省能量，一般数据传输持续时间要大于建立时间。
1.1.1 簇的建立阶段
设某个时刻 t，每个传感器节点在第 r轮时从（0，1）之间选择一个随机数,如果选定的值小于某个阈值Kn(t)，这个节点就成为簇首节点，Ki（t）由式（1）计算得到。
其中，G表示节点在前r mod（1/p）轮没有当选簇头节点的集合；p表示最优簇头数占所有节点数的比例，p=k/N，N表示节点总数，k为分簇数。在第1轮中每个节点成为簇头的概率为p，选出的簇节点个数都为N×p。在接下来的 N/k－1轮中不会当选簇头，利用式（1）计算可知，在没有节点死亡时每轮选出的簇头都为N×p，但实际中有一定的波动。选为簇头的节点向网络广播信息，通知产生了一个新簇头，接收到信息的节点根据信号的强度选择一个距离其最近的簇头，并告知簇头节点，最后，簇头采用TDMA方法为簇中每个节点分配向其传送数据的时间片。
1.1.2 数据传输阶段
传感器节点将采集的数据按照簇头分配的时隙传送到簇头节点，簇头节点进行数据融合将结果直接发送到。
1.2 网络模型和最优簇头数的计算
网络由N个随机部署的传感器节点组成，同时有以下假设：（1）传感器网络为高密度静态网络，传感器节点和部署后均不再发生位置移动，唯一，而且的能量是无限制的，其他节点有相同的能量；（2）节点具备数据融合功能，每个传感器节点都有一个唯一的标识（ID）；（3）节点可以根据接收方距离的远近调整其发射功率以减小能量消耗。LEACH协议采用的一阶无线电模型，当发送距离较近时（d≤d0），采用自由空间信道模型；当发送距离较远时（d＞d0），采用多路径衰减模型。具体如下：
传感器节点发送l bit数据消耗的能量为：
传感器节点接收l bit数据消耗的能量为：
其中，Efs、Emp是信号放大器的放大倍数，Eelec是接收电路能量消耗参数，d是发送节点和接收节点间的距离，d0=
假设远离随机分布的节点（d＞d0），每一轮中，簇头节点消耗的能量模型为：
其中，EDA数据融合能量参数，dtoBS是簇头到距离。hue trunc函数
随机分布的节点（d≤d0），每一轮中，非簇头节点消耗的能量模型为：
其中，dtoCH是簇成员到簇头距离。
N个节点分布在一个M×M的正方形区域，分为k个簇，每个簇的大小为M2/k，假设每个簇是圆形的，则圆的半径是，则每个簇中簇节点到簇头的距离的数学期望值为：

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