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探讨无线传感器网络LEACH路由协议的变化
引言
当计算机的运算速度突飞猛进，使数据处理和计算能力迅速提高后，当存储器的容量无限增长，使海量存储得以实现时，当网络的带宽一再提升，数据传输己变得轻而易举时，如何高效地获取尤其是远程获取需要处理的大量信息成为人们研究的重点，于是融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)[1]应运而生。部署在检测区域内的传感器节点通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，称之为无线传感器网络（Wireless Sensor Network）。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是WSN 的主要目的。其要素是传感器、感知对象和观察者。传感器之间、传感器与观察者之间以无线的形式建立通信路径，达到协作感知、采集和处理网络覆盖区域内的感知对象信息的目的。实际情况下，WSN 中的节点是在不断运动的，本文中所提到的节点都是静止状态下的，并且每个节点都可以冲淡路由器，具有搜索、定位、和恢复连接的能力。
1 无线传感器网络路由分类
路由协议对于网络传输是必不可少的，WSN 路由协议延续了Ad hoc 网的分类方法，可以根据不同的角度进行分类。可根据根据路由发现策略的角度不同，将WSN 路由协议分为主动路由和被动路由两种类型；可根据网络管理的逻辑结构不同，将WSN 路由协议分为平面路由和分层结构路由两类[2 ][3]。
2 LEACH[4-6]路由协议
层次路由协议中最具代表性的是LEACH 路由协议，该协议是低功耗自适应聚类分级路由协议[7-9]其他层次式的路由协议如TEEN、APTEEN、PEGASIS 等大都由LEACH 发展而来。
LEACH 的基本思想是将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中,这主要是通过随机循环地选择簇首节点实现的，从而有效将网络能源消耗降低，提高网络整体生存时间。
LEACH 在运行过程中不断地循环执行簇重构过程。
传统的 WSN 基于簇的结构被关注。因为簇首节点的能量消耗远远大于非簇首节点，导致簇首节点比非簇首节点消亡的要快。为了解决这个问题，Heinzeman 提出了LEACH。这个算法的基本思想是周期性的选择簇。每个周期成为“轮”，每一轮选择簇首节点，其他节点协助簇首节点进行数据传输，最终，簇首节点对数据进行融合并将数据传给sink 节点。
每一轮，每个节点被随机赋予0-1 之间的任意值，如果这个值小于最低预测极限值，则节点变为簇首：
P 是在网络中头节点在所有节点中的比例；r 是当前选择轮数；G 是过去1/p 轮未被选为簇首的节点集合。
3 LEACH 协议改进与仿真
3.1 对LEACH 协议的簇的形成和簇首选取方法进行改
进本文提出的改进协议中，簇的形成和簇首选取的过程如所示。根据公式其中，假设每个簇在WSN 中所占的面积为S/k ，dtoBS 为簇首节点到基站BS 的平均距离，εfriss-amp 为Friss frss space model 时的放大器参数，εtwo-ray-amp Two-ray Groundmodel 时的放大器参数。
结合 WSN 内情况，对网络内分簇数目C 进行估算，得出每簇的节点数目V=节点总数Y/C,将V 设置为簇内节点数的最高门限值，即成簇节点的个数最高值。形成簇及簇首选取流程图如图所示。统计网络中各节点的邻节点数目Vi，如果Vi>V，则放弃该组节点成簇的机会；如果Vi≤V，将节点的邻节点数目进行排序，按照节点数目大小排序为q1、q2、q3、q4…qi…qc，如果发现其中qm、qn（m>n）互为邻节点，则在序列中舍弃qn，后面的节点依次向前增补。此时，将整个网络分为了C 个区域，任取其中某一个子区域，其节点集合为Ci，抽取该自子区域内的邻节点数目最多的节点qi，其剩余能量为Ei，此qi 的邻节点集合记为D，则D=Ci-{qi}，qi∈Ci，D 中任意一节点e，其能量为Ee，如果：Ei>Ee，e∈D，则qi 为该簇簇首节点，否则，计算max（Ee） e∈D，则e 为簇首节点。
3.2 NS-2 仿真验证
针对上述 LEACH 协议中存在的问题，结合传感器节点的不一定撒布在平坦地带，节点之间可能存在空间距离，所以本文提出了将节点与三维坐标系结合起来，这样既方便节点的定位，适合WSN 中因节点移动，拓扑结构随时发生变化的特征，又能在簇的形成、簇首选择中显得更加快捷、方便，而且对于解决节点安全问题、剩余能量的均衡以及延长整个网络的生存周期具有一定的效果。尤其是在WSN 的网络规模扩展上具有一定的实际意义。下面将具体方案阐述如下：
假设 WSN 的具体情况如下：
①大量的节点被随机分布在不平整的区域内；
②建立一个以所处位置海拔最低的节点为原点以正北为x 轴正向、以正东为y 轴正向、以竖直向上为z 轴正向的三维坐标系；
③在整个网络内，均匀分布具有GPS 定位功能的信标节点，作为整个网络的通信中枢，网络中每个节点都能够通过GPS 系统确认自己的位置坐标；
④数据发送时基于查询的；
⑤对于节点间的通信阻碍忽略不计；
⑥网络中无线链路都是双向的，也就是说假如节点1 在节点2 的传输范围内，节点2也在节点1 的传输范围内；
⑦WSN 网络中每个节点具有相同的结构所示：
仿真环境：仿真工具采用NS-2 平台，版本2．28，操作系统为windows XP+Cygwin，LEACH 源码来自M IT 的网站，仿真程序是在LEACH 的基础上进行了编写修改和补充完善的， 并对 LEACH 协议的几个小BUG 进行了修正。
硬件主要配置：CPU 为奔腾2．8 GHz、内存1GB。仿真环境中，100 个节点随机分布在70 m×70m×10m 的三维区域内，基站坐标取(50，175，0)。每轮簇头选举时间间隔为10s。
中列出了仿真中使用的参数值。
网络性能的优劣主要是靠每轮存活的节点的数目来反映。存活的节点数目越大，网络覆盖的区域就越广，每轮参与选取的节点就越多，从而延长了网络的生存周期。下面，针对簇首个数的多少分别进行仿真，根据节点数目、分布区域情况，计算出最优簇首数目为5 个，传统LEACH 协议初始化网络时，使用的簇首数目为6 个，比较这两种情况下的存活节点数目。
选择6 个簇首节点的WSN 网络在第390 s 的时候就已经开始有节点死亡，到400s 的时候全部节点都已经死亡。选择5 个簇首的WSN 网络在420s 才开始出现节点死亡，在500s 附近所有节点全部消亡，由此可以看出，5 个簇首的WSN 网络的生存周期要比6 个簇首的WSN 生存周期长许多。主要是因为选择6 个簇首的网络每轮平均能耗大，导致有些节点提前消亡。从5-3 可以看出，选择6 个簇首的WSN 网络在出现死亡节点后，节点死亡的速度比选择5 个簇首的网络要快的多，在350 s 时，网络中就有11 个节点死亡，在370s 时就有24 个节点死亡了，380 s 时激增到44 个，400s 时全部节点消亡。而选择5 个簇头节点时，死亡节点的速度比较慢。由此可见，优化后的网络簇首选择方法更能提高网络性能，延长网络生命周期。
b、节点消耗的总能量比较对于 WSN 来说，节点能量是非常有限的，网络生命周期的重要指标就是节点的能耗。
单个节点的能耗越少，网络的生命周期也就会越长。比较簇首数为5 和6 两种情况下节点消耗的总能量。
从可以看出，WSN 网络选择在有5 个簇首节点是，大概在第510 s 才消耗所有能量。而选择6 个簇首的，则在400 秒左右能量就完所有能量消耗完。选择6 簇首的WSN 网络能量消耗一直在选择5 个簇首节点的网络曲线上面，这说明从第一个节点一直到所有节点都消亡，选择6 个簇首的网络所消耗的平均能量要比簇首为5 的网络大。具体的讲，在380s后表现的更为明显，此时6 簇首的网络能量消耗出现跳变，所消耗的能量突然变大，主要是因为在380s 时有44 个节点死亡，390s 时死亡了79 个节点，400s 时全部节点都死亡了。在390s 时，每个节点所拥有的能量就只能维持一次通信。通过仿真验证，改进后的LEACH 协议有效保证了节点公平承担能量消耗的负担，保证了网络能量的均衡。
结束语：能量对于WSN 来说可以说是至关重要的，在LEACH 协议，由于簇首选取、簇间通信耗费了大量能量，影响了网络的生存周期，本文从簇的形成到簇首的选取两个方面对LEACH 协议进行了改进，从仿真实验结果看，达到了预期的效果，减小了网络的能耗，延长了网络的生存周期。
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参考文献
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