基于无线传感器网络的LEACH算法的改进__腳步淩亂

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作者:李秉智、赵娜来源:微计算机信息

0 引言
无线传感器网络(WSN)是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络的随机布设、自组织、环境适应等特点使其在军事、环境、医疗、家庭和其它商用领域有广阔的应用前景和很高的应用价值。传感器节点通常使用容量有限、不可更换的电源，节点的计算、通信、存储能力也非常有限，这就要求WSN路由协议必须以节约能源为主要目标，{zd0}限度地延长网络生存时间。在许多大规模WSN远程监控应用中，传感器需要将采集到的声音、振动等数据以无线多跳的通信方式传送到远程基站(BS)以便实现进一步的分析和处理．同时，BS的控制信息也通过节点间的协同交互传递到指定区域。由于通信损耗能量同传送的数据量和到达目标的距离平方成正比，采用基于分簇的路由算法相对平面路由算法具有更好的适应性和节能性。分簇路由的基本思想是通过簇首对簇内节点间的相关信息融合及转发机制减少数据的传输量和距离，进而降低通信能量，达到网络节能的目的。
LEACH算法是比较成熟且常用的分簇路由算法。但LEACH算法并没有考虑到每个节点的能量状态因而不能有效提高网络的生存时间，本文主要在能量的基础上对LEACH算法做出了改进。它基于无线电传输范围和簇成员数目形成簇，并在转发阶段引入CSMA/CD (载波监听多路访问/冲突检测)技术以减少冲突。仿真证实改进后的算法在能量消耗上比LEACH算法有了大大减少。
1 相关算法
在目前典型的分簇路由算法中，LEACH算法是Heinzelman等人提出的{dy}个基于多簇结构的路由协议，其成簇思想贯穿于其后提出的很多协议中。其中，文[3，4]采用了与LEACH相同的随机簇{sx}择机制，每个节点根据网络所决定的{zy}簇首概率P自主判定是否成为簇首，一旦选定簇首节点后便通过广播告知整个网络．随机簇{sx}择机制具有实现简单、操作灵活和可扩展性好等优点，但是却不能保证簇首节点的数目和分布，因此容易形成网络内节点能量损耗不均衡的状态，从而降低了网络的整体性能。文[5]提出了一种集中式的簇{sx}择机制LEACH-C，它要求只有能量高于网络平均剩余能量的节点才有可能成为簇首．为了评估网络剩余能量的平均值和优化簇首的选择，每个节点需要和BS直接通信来汇报自身的位置和能量信息，因此算法需要消耗较多的通信能量。文[6]构建了一种节能、分布式的成簇算法HEED，但在选择簇首时需要在一定的迭代次数内与周围邻居节点不断地进行信息交互，因此算法的实现也需要额外的通信代价。[1]
2 分层算法简介
2．1 LEACH算法
LEACH算法建立在所有节点都是平等且无线电信号在各个方向上能耗相同的假设上。在LEACH算法中，节点自组织成不同的簇，每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所属簇的簇头节点，为减少冗余数据的传输，簇头节点在数据融合后将数据发送给远方的接收器。这样，每个非簇头节点都只需要知道自己所属簇的簇头信息即可；簇头也只需要维持很小的路由表。在实际使用中，还可以根据需要建立更多层次。在LEACH算法中，为了避免簇头能量消耗过快，每个节点须轮流担任簇头。因此LEACH算法的实现分成一个个回合，每个回合又可分成簇形成阶段和簇稳定阶段。为了减少分簇带来的额外能耗，簇稳定阶段远远长于簇形成阶段。在簇形成阶段，每个传感器节点先生成O一1之间的随机数，如果生成的随机数小于阀值，那么这个节点就被选为簇头。阀值的大小下式确定：

其中：p是网络中簇头所占比例，r是目前进行的回合次，G是在{zh1}1／p轮中没有成为簇头的节点集合。节点被选为簇头后，就向外发送广播信息；其它节点根据收到的广播信息的信号大小决定要加入的簇，并向簇头发送加入簇的请求。簇头收到请求后将节点加入自己的路由表并为每个节点设定一个TDMA时间表，再将该表发送给所有簇内节点。此后的簇稳定阶段，节点按照该表进行数据传输。每隔一定时间整个网络重新进入簇形成阶段开始新轮的簇头选举过程。
和平面路由算法相比，LEACH算法性能更好。但是，由于LEACH算法中簇头的产生具有极大的随机性，可能会出现部分簇头相距基站远近不一，或者节点相距簇头远近不一，以及每个簇中节点数目分布不均匀，网络拓扑结构分布不均匀使得节点消耗能耗不一，大大减少了网络生存时间。
另外在节点被选为簇头后，以另外的簇头为中转站向基站发送数据的时候，由于中转站节点有可能正在接收其他节点给它发送数据，容易导致冲突，影响网络作用。
正是基于LEACH算法的以上缺点，对它进行了改进，改进后的算法和LEACH算法采用相同的网络要求。
2．2 改进后的算法
和LEACH算法一样，改进后的算法依然分成一个个回合，但这里把每个回合分成形成阶段、稳定阶段和转发阶段。同时在每个回合之前构建簇。
2．2．1簇的初始化
每个节点都向邻居发送HELLO信息，此信息的TTL域（Time to Live）被设置成1，意味着只需收集1跳的邻居数目，同时无线电传输范围也被设置成定值，这样做是为了把簇的范围限定在以该定值为半径的圆中，每个节点都记录下它周围一跳的邻居数目，同时定义一个系统参数CN，用它来记录簇的成员数目，当一个节点获得的邻居数目首先到达CN时，该节点就会向它周围一跳的邻居广播一个“我是簇头”的信息，所有收到此信息的节点记录下它，同时启动一个后退定时器，之后收到此广播的节点即使它们的邻居数目到达CN，也不会再宣布它们为簇头，因为算法硬性规定在无线电传输范围内只能存在一个簇头。在后退定时器时间到达以前，每个节点都会根据信号的强度来决定加入哪个簇，同时发送一个加入信息给簇头，这样每个簇头都会了解自己共有多少簇成员，同时记录下自己簇成员的数目，并将此数目广播给基站，基站会根据此数目计算每个簇需要的{zd0}时间片，并通知簇头。
2．2．2形成阶段

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