无线传感器网络LEACH协议的节能改进算法(共7页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上无线传感器网络LEACH协议的节能改进算法 摘要：通过分析LEACH协议簇头选举算法的运行机制，针对无线传感器网络节点能量有限的问题，提出改进的簇头选举算法LEACH-I。该算法在簇头选举阶段将节点的剩余能量和节点到簇头的距离作为簇头选举的考虑因素，在数据传输阶段结合多跳传输计算所有节点在一轮的总能耗，最终推出最佳的簇头范围，通过控制簇头数量达到优化网络性能的目的。仿真结果表明，改进算法均衡了节点能量的消耗，有效地延长了整个网络的生命周期。 关键词：无线传感器网络；LEACH路由协议；最佳簇头数;能量消耗 中图分类号：TP393 An improved energy-saving algorithm based on LEACH in wireless sensor network Abstract: By analyzing the running mechanism of LEACH protocol cluster head election algorithm, aiming at the problem of wireless sensor network node energy limited, to improve the cluster head election algorithm is used to LEACH I. The algorithm in the cluster head election phase of the node residual energy and the distance of the node to the cluster head as the cluster head election consideration, in data transmission phase combined with multiple hops transmission calculation of total energy consumption, all nodes in the round, finally introduced the best cluster head range, by controlling the number of cluster heads to achieve the purpose of optimizing the network performance. Simulation results show that the improved algorithm balance the node energy consumption and prolong the life cycle of the entire network efficiently.Key words:Wireless Sensor Network;LEACH protocol; optimal number of cluster heads;energy consumption0 引言 无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点以自组织的方式构成的无线网络。传感器节点通常采用电池供电，其计算和存储能力十分有限，因此节能是无线传感器网络的一个重要研究方向3。无线传感器网络的路由协议主要功能是寻找源节点和目的节点之间的优化路径，实现数据分组沿着优化路径正确转发。其中LEACH （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)路由协议是最早提出的一个能量利用率较高的分层路由协议，协议根据产生的随机数来选取簇头，采用分簇的方式，由节点轮流担当簇头，实现了网络能量消耗的均衡45。本文针对LEACH协议的一些不足，提出一种改进算，仿真结果表明，改进后的算法减少了网络能量消耗，有效的延长了网络寿命。1 LEACH 算法概述LEACH算法是无线传感器网络最早提出的分簇路由协议，它的执行过程是周期性的，LEACH定义了轮的概念，每轮分为簇的建立阶段和稳定状态阶段。在簇的建立阶段，每个节点产生一个（0,1）之间的随机数，并把它和阀值T(n)进行比较，如果这个数小于阀值，则该节点成为簇头节点。T(n)的计算公式为： 其中，是簇头在所有传感器节点中所占的百分比，,为网络中的簇头个数，为网络中的节点总数，是当前的轮数，是前轮中未当选过簇头节点的集合。因此，在轮时，。这样可以确保在每轮，每个节点有且只能成为一次簇头。节点一旦选为簇头，立即向外广播自己成为簇头的消息，其他节点根据收到的广播消息的信号强度决定要加入的簇，最后簇头为簇内节点创建TDMA时隙表，并将该表发送给簇内节点。稳定阶段中，簇内节点按照TDMA表在规定的时间将采集的数据传送至簇头。簇头节点对所有数据进行融合并发送至基站，之后网络进入下一轮，不断循环，每个簇采用不同的CDMA代码进行通信来减少其他簇内节点的干扰6。2. 簇头选择的改进Leach协议中所有节点被选为簇头的概率是相等的，即使经过许多轮之后，不同的节点能量相差很大，但是他们当选为簇头的概率依然是相等的。在这种情况下会出现一些剩余能量很少的节点依然被选为簇头节点，由于簇头节点承担的任务较多，消耗的能量较大，这样导致此节点的能量会很快耗尽，出现网络“洞点”使得整个网络的生存时间变短7。因此，应当把节点的剩余能量这个因素作为簇头选择的考虑因素。方案一： 结合Leach的阀值公式再将节点的剩余能量考虑进去，提出改进的阀值8为： (2)其中为表示节点的初始能量，表示节点的当前能量值。这种方法通过节点的剩余能量来调节阀值的大小，可以使剩余能量多的节点计算的阀值较大，从而使其成为簇头的机会更大。但该方法存在的缺陷是：随着网路的运行，节点的剩余能量都在逐渐减少，阀值也会随之减小，因此节点成为簇头的机会变得很小，簇头数目随之减少，缩短网络的生存时间。方案二：对方案一的不足之处提出了第二种改进方案，该改进算法是将原Leach节点随机数的生成区间（0，1）改为随网络的运行而动态变化的（0，），是未被选为簇头的节点的平均剩余能量，是节点的初始能量。 建立随能量动态变化的随机数可调节节点当选为簇头的概率，即使节点的剩余能量偏低时，也不会影响其成为簇头的概率，因为此时节点产生的随机数也减小，该算法能够确保每一轮的簇头数目总是保持在最佳簇头个数范围之内，优化了网络性能，但该方法节点需要发送剩余能量信息，且该值需要不断更新，会带来较大的额外开销。 方案三：针对以上两个方案存在的弊端，再结合节点到基站的距离，提出第三种改进方案。Leach协议中节点竞选簇头，是通过将节点产生的随机数和阀值进行比较，如果随机数小于阀值，则节点当选为簇头。所以对簇头选择算法进行改进时，调节节点的随机数或者阀值都可以达到优化簇头的目的。以下通过对节点产生的随机数进行调整，均衡节点成为簇头的概率，调节公式如下： (3) 这种改进算法的簇头选择与Leach相同，传感器节点首先产生一个（0,1）之间的随机数，然后使用节点的剩余能量、节点与基站的距离作为参数对随机数进行调节。其中表示节点当前的剩余能量；表示节点的初始能量；、，分别表示节点到基站的距离、最近和最远距离；为是一个预设的定值，本文设定为0.5。根据的单调性来调节随机数，随着节点的剩余能量和节点到基站的距离的改变而改变。如果节点剩余能量多且到基站的距离近，那么节点产生的随机数会相对较小，则小于当前阀值的概率会更大，从而此节点当选为簇头的概率就更大，反之亦然。该算法能够很好地均衡整个网络的能量消耗。3.最佳簇头数目的改进算法 LEACH 路由协议最优簇头数的推导，只考虑了稳定传输阶段的能量损耗，而忽略了建立阶段的能量损耗，从而导致节点加快死亡、网络能量利用率低的问题，本文提出了一种改进的最优簇头数计算方法。 该方法根据所有节点在一轮消耗的总能量， 推算出了最佳的簇头数范围，通过控制簇头的数量来改善网络的性能.3.1 Leach协议节点的能耗模型 Leach协议采用一阶无线电模型，在无线电的传输过程中，信号能量的衰减与发送端和接收端的距离有关，定义阈值，表达式为：。如果距离，则采用自语空间（）模型，如果距离，则采用多径衰落（）模型9。因此，在距离发送一条长度比特消息的电台耗能为： (4) 接收这条消息的耗能为： (5)其中表示电台电子元器件耗能；、表示信号放大器的放大倍数。3.2 建立阶段的总能耗 假设节点总数为N,随机分布在的区域内，簇头个数为K。簇头节点选定后，会向非簇头节点广播自己成为簇头的消息，假设广播的距离为,为保证簇头的广播消息能够覆盖网络中的大部分节点，这里采用多径衰落模型。簇头广播一条消息耗能为： (6)未被选为簇头的节点根据收到广播消息的信号强度决定加入哪个簇，簇头会收到节点的加入请求信息。每个簇头的平均耗能为： (7)簇头节点创建TDMA时隙表并发送给簇成员，簇头到费簇头的距离用表示，则簇头消耗的能量为： (8)所以，簇建立阶段每个簇头节点消耗的能量为： (9)1) 每个非簇头节点接收簇头广播消息消耗的能量为： (10)2) 向簇头节点发送加入请求消息的耗能为： (11)3) 接收簇头节点的TDMA时隙表消耗的能量为: (12）因此簇建立阶段每个非簇头节点耗能为： （13） 综上所述，簇建立阶段的总能耗为：(14)3.3 稳定阶段的能量消耗稳定阶段主要是进行数据的传输，簇内成员节点和簇头的距离较近，而簇头和基站的距离相对较远，所以本文采用簇内单跳簇间多跳的数据传输策略。假设在簇头和基站之间距离较远，簇头节点要经过跳才能到达基站，设每跳距离相等，都等于，那么簇头节点的三部分耗能分别为：1） 接收簇内成员节点的耗能： (15)2） 若每条数据消息的比特数为,假定数据完全累积，故累计融合数据的耗能为： (16)3） 簇头到基站之间采用多跳传输，假设簇头到中继节点的距离为，则，将数据发送给中继节点的耗能为: (17)所以,数据传输阶段一个簇头节点的总耗能为： (18)同理，中继节点将数据传给基站的耗能为： (19) 每个非簇头节点的耗能为： (20)所以稳定阶段的总耗能为： (21) 3.4 最优簇头数的优化算法 一轮运行过程中，所有节点消耗的总能量为建立阶段和稳定阶段的耗能之和，即 (22) 由于的值是不确定的，以下用数学期望的方法求簇内节点到簇头的距离，假设N个节点分布在的区域内，则每个簇平均占的面积为,每个簇构成的圆形区域的半径为,节点密度设为，则节点到簇头的距离的平方的期望值为： (23)将该值带入总能量式子中，再对式子对K进行求导，令式子等于零，即可得到最佳簇头数目k： (24)上式中、均是仿真实验室中固定的参数值，所以最佳簇头个数由网络区域、传感器节点总数、簇头节点发布广播消息的距离以及采用多跳传输的平均单跳距离和跳数共同决定。4 仿真与分析 本文使用MATLAB对LECH、LEACH-I和LEACH-II进行仿真分析，仿真网络含有100个节点随机分布在100*100的区域，仿真参数如表1所示。 表1 仿真参数参数 数据值参数 数据值节点数量N 100基站位置 （50,175） d 90m节点初始能量 0.5J数据包大小 500bit 100个传感器节点随机分布如图1 图1-100个传感器节点的分布 仿真场景为：在100m×100m的区域内分布了100个传感器节点，图中红点表示簇头节点，黑点表示普通节点。图2显示了网络中剩余节点数随着轮数的变化图。LEACH-I表示只在原LEACH的基础上对阀值进行改进，LEACH-II表示在LEACH-I基础再将簇头数量控制在最佳的范围内。图2-剩余节点数与轮数的关系从图中仿真结果可以看出，改进后LEACH-II的生存曲线明显优于LEACH和LEACH-I。LEACH在第724轮开始出现第一个死亡节点，而LEACH-II在第1590轮才出现第一个死亡节点，且整个生存时间远远大于LEACH和LEACH-I。从而可知，新算法LEACH-II不但延长了网络的稳定期，而且延长了网络的生存时间。5 结语 本文针对LEACH存在的缺陷提出了一种新的改进算法，首先在簇头选择阶段提出改进的阀值和随机数公式，在数据传输阶段，计算一轮所有节点的总耗能推算出最佳簇头数目，通过控制最佳簇头数目达到优化网络性能的目的，仿真实验结果表明，改进后的算法均衡了网络能耗，有效地延长网络的生存周期。6 参考文献1 陈林星.无线传感器网络技术与应用M.北京：电子工业出版社，2009.2 蒋阳，孙柳林.WSN中LEACH路由协议簇头数优化研究 J.):4251-4254.3 Weber S,Andrews J G,Jindal N.An overview of the transmission capacity of wireless networkJ.IEEE Transactions on Communications,2010,58(12):3593-36004. 4 王郭燕基于分簇的无线传感器网络路由协议研究与改进D成都：电子科技大学，20125 HANDY M J,HAASE M,TIMMERMANN D.Low energy adaptive clustering hierarchy with deterministic cluster-head selectionC/Proceedings of the4th IEEE Conference on Mobile and Wireless Communications Network.Washing,DC：IEEE Computer society;2002:368-372.6 刘玉华,赵永峰.无线传感器网络LEACH协议的改进J.计算机工程与应用2010，46（17）：117-120.7 Wang H,Agoulmine N,Ma M,Jin YL.Network lifetime optimization in wireless sensor networks.IEEE J Sel Areas Commun 2010;28(7):1127-37.8 王良民，廖闻剑无线传感器网络可生存理论与技术研究M北京：人民邮电出版社，2011；49-589 孙利民，李建中.无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2005.专心-专注-专业