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【摘 要】针对LEACH路由协议簇头节点随机选举、最优簇头数目是粗略估计值、节点分布不均匀三方面不足，本课题引入压缩比，在簇头选举时将节点剩余能量作为选举的关键条件，提出最小化能量损耗最优化簇头数目的改进算法，并从数学的角度进行推理证明。仿真证明：改进算法均衡了系统能量消耗，延长了网络生存周期，使网络更具健壮性。
【关键字】无线传感器；网络；LEACH路由协议；改进；仿真
21世纪，无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）在信息产业中占据重要地位，如在军事、环境监测、医疗健康、智能家居等领域，有着广泛的应用。但无线传感器网络中的传感器节点采用电池供电，能量有限，节点数量巨大，分布区域广泛，环境复杂多变，频繁更换电池补充能源比较困难。因此，如何设计合理的路由协议来延长传感器节点寿命成了无线传感器网络领域的研究热点之一。分簇的网络结构能够均衡网络节点能耗，研究分簇网络结构的LEACH路由协议，对减少无线传感器网络的能量消耗具有重要意义。
1 LEACH协议分析
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy， LEACH）路由协议是分层路由协议中最经典的代表之一，基于簇类结构和分层技术[1]，它是最早提出自适应分簇的层次式路由协议[2]，大多分簇路由协议都是在LEACH的基础上延伸的。
1.1 LEACH路由协议工作机制
LEACH路由协议中的工作是分成一轮（round）一轮进行的，每一轮包含簇的建立和数据传输两个阶段。前者主要是形成簇，分为选举簇头和建立簇两部分，后者主要是簇头节点先对接收到的数据进行融合处理，再传输到基站（Base Station）的过程。为了使能量消耗最小，通常第二个阶段持续的时间要比第一个阶段的时间长。
1.1.1 簇的建立阶段
1.3.1 随机选取簇头节点
由式（1）可知，由于每个节点被选为簇头的概率是相等的，即经过几轮之后，能量消耗待尽的节点和能量损耗较少的节点，担当簇头是等概率的，如果被选为簇头的节点能量待尽，会在很短的时间内死亡，这样会影响网络健壮性。
1.3.2 最优簇头数目是粗略估计值
由式（1），并结合仿真可知，LEACH路由协议的最优簇头数目是粗略估计值。
当最优簇头数目为3，4，5时，所耗费的总能量相对较少，有利于节省系统的能耗，延长节点寿命；当只有1个簇头节点，那么所有的成员节点都要将数据传送给唯一的簇头，必然导致簇头节点负载过大而过早死亡，也失去了分簇的意义；当簇头数目过多，反而增加了数据融合的开销。
1.3.3 节点分布不均匀
由式（1）可知，LEACH路由协议随机分簇，可能有的簇内成员节点比较多，有的簇内成员节点比较少，即成员节点分布不均匀；或者有的簇头位于簇的中央位置，而有的簇头可能位于簇的边缘，距离成员节点比较远，即簇头节点分布不均匀。
由以上三方面的分析，LEACH路由协议的节点在数量上和位置上呈现出不足，这些都将导致能量损耗的增加，对网络的整体性能造成影响，尤其是随着网络规模的扩大，这种影响越明显。
2 LEACH路由协议的改进
2.1 最优簇头数目选举算法的提出
显然，改进LEACH路由算法比LEACH算法能量消耗降低了，延长了网络生命周期，网络性能也有所改善。
4 总结与展望
研究传感器网络路由协议，以其经典的LEACH路由协议为研究对象，分析其算法、工作机制以及存在的不足，引入压缩比，给出最优簇头计算公式，提出改进方案，通过数学推理并进行网络仿真。未来的研究工作，主要从以下两个方面入手：
（1）无线传感器网络中定位算法的研究；
（2）分析数据相似性，在数据传输阶段进行数据压缩的研究。
参考文献
[1]刘庆，王培康.无线传感器网络的安全分簇路由协议[J].计算机仿真，2009，26（4）：167-171.
[2]孙波，高随祥.无线传感器网络中最大化簇寿命的优化模型[J].计算机仿真，2008，25（2）：116-120.
[3]Chen Guihai， Li Chengfa， Ye Mao， et al. An unequal cluster-based routing protocol in wireless sensor networks [J]. Wireless Networks， 2009，15（2）：193-207
[4] Gupa H， Navda V， Das S， et al. Energy-efficient gathering of correlated data in sensor networks [J]. ACM Trans on Sensor Networks， 2008，4（1）：25-34
[5]HU Jun-ping，JIN Yu-hui，DOU Liang.A time-based cluster-head selection algorithm for LEACH[C]/ /Proc of IEEE Symposium on Computers and Communications.2008： 1172-1176.
[6]鄭巍， 刘三阳， 寇晓丽. 动态传感器网络移动代理路由算法[J].控制与决策， 2010， 25（7）： 1035-1039.
[7]石为人，严明蒙，黄河.基于熵权系数法的无线传感器网络自适应QoS路由算法[J].计算机应用， 2011，31（02）： 298-300.
[8]李莉，温向明.无线传感器中分簇算法能量有效性分析[J].电子与信息学报， 2008，30（4）：965-969.
基金项目
物联网下的IPv4-IPv6过渡技术的研究（2011zr011）
省级质量工程项目“IT服务外包应用型人才培养模式创新实验区” [教高〔2009〕9号]
IT服务外包示范实验实训中心（2011sysxx01）
省级质量工程项目“IT服务外包示范实习实训中心”（皖教秘高〔2011〕66号）
【关键字】无线传感器；网络；LEACH路由协议；改进；仿真
21世纪，无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）在信息产业中占据重要地位，如在军事、环境监测、医疗健康、智能家居等领域，有着广泛的应用。但无线传感器网络中的传感器节点采用电池供电，能量有限，节点数量巨大，分布区域广泛，环境复杂多变，频繁更换电池补充能源比较困难。因此，如何设计合理的路由协议来延长传感器节点寿命成了无线传感器网络领域的研究热点之一。分簇的网络结构能够均衡网络节点能耗，研究分簇网络结构的LEACH路由协议，对减少无线传感器网络的能量消耗具有重要意义。
1 LEACH协议分析
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy， LEACH）路由协议是分层路由协议中最经典的代表之一，基于簇类结构和分层技术[1]，它是最早提出自适应分簇的层次式路由协议[2]，大多分簇路由协议都是在LEACH的基础上延伸的。
1.1 LEACH路由协议工作机制
LEACH路由协议中的工作是分成一轮（round）一轮进行的，每一轮包含簇的建立和数据传输两个阶段。前者主要是形成簇，分为选举簇头和建立簇两部分，后者主要是簇头节点先对接收到的数据进行融合处理，再传输到基站（Base Station）的过程。为了使能量消耗最小，通常第二个阶段持续的时间要比第一个阶段的时间长。
1.1.1 簇的建立阶段
1.3.1 随机选取簇头节点
由式（1）可知，由于每个节点被选为簇头的概率是相等的，即经过几轮之后，能量消耗待尽的节点和能量损耗较少的节点，担当簇头是等概率的，如果被选为簇头的节点能量待尽，会在很短的时间内死亡，这样会影响网络健壮性。
1.3.2 最优簇头数目是粗略估计值
由式（1），并结合仿真可知，LEACH路由协议的最优簇头数目是粗略估计值。
当最优簇头数目为3，4，5时，所耗费的总能量相对较少，有利于节省系统的能耗，延长节点寿命；当只有1个簇头节点，那么所有的成员节点都要将数据传送给唯一的簇头，必然导致簇头节点负载过大而过早死亡，也失去了分簇的意义；当簇头数目过多，反而增加了数据融合的开销。
1.3.3 节点分布不均匀
由式（1）可知，LEACH路由协议随机分簇，可能有的簇内成员节点比较多，有的簇内成员节点比较少，即成员节点分布不均匀；或者有的簇头位于簇的中央位置，而有的簇头可能位于簇的边缘，距离成员节点比较远，即簇头节点分布不均匀。
由以上三方面的分析，LEACH路由协议的节点在数量上和位置上呈现出不足，这些都将导致能量损耗的增加，对网络的整体性能造成影响，尤其是随着网络规模的扩大，这种影响越明显。
2 LEACH路由协议的改进
2.1 最优簇头数目选举算法的提出
显然，改进LEACH路由算法比LEACH算法能量消耗降低了，延长了网络生命周期，网络性能也有所改善。
4 总结与展望
研究传感器网络路由协议，以其经典的LEACH路由协议为研究对象，分析其算法、工作机制以及存在的不足，引入压缩比，给出最优簇头计算公式，提出改进方案，通过数学推理并进行网络仿真。未来的研究工作，主要从以下两个方面入手：
（1）无线传感器网络中定位算法的研究；
（2）分析数据相似性，在数据传输阶段进行数据压缩的研究。
参考文献
[1]刘庆，王培康.无线传感器网络的安全分簇路由协议[J].计算机仿真，2009，26（4）：167-171.
[2]孙波，高随祥.无线传感器网络中最大化簇寿命的优化模型[J].计算机仿真，2008，25（2）：116-120.
[3]Chen Guihai， Li Chengfa， Ye Mao， et al. An unequal cluster-based routing protocol in wireless sensor networks [J]. Wireless Networks， 2009，15（2）：193-207
[4] Gupa H， Navda V， Das S， et al. Energy-efficient gathering of correlated data in sensor networks [J]. ACM Trans on Sensor Networks， 2008，4（1）：25-34
[5]HU Jun-ping，JIN Yu-hui，DOU Liang.A time-based cluster-head selection algorithm for LEACH[C]/ /Proc of IEEE Symposium on Computers and Communications.2008： 1172-1176.
[6]鄭巍， 刘三阳， 寇晓丽. 动态传感器网络移动代理路由算法[J].控制与决策， 2010， 25（7）： 1035-1039.
[7]石为人，严明蒙，黄河.基于熵权系数法的无线传感器网络自适应QoS路由算法[J].计算机应用， 2011，31（02）： 298-300.
[8]李莉，温向明.无线传感器中分簇算法能量有效性分析[J].电子与信息学报， 2008，30（4）：965-969.
基金项目
物联网下的IPv4-IPv6过渡技术的研究（2011zr011）
省级质量工程项目“IT服务外包应用型人才培养模式创新实验区” [教高〔2009〕9号]
IT服务外包示范实验实训中心（2011sysxx01）
省级质量工程项目“IT服务外包示范实习实训中心”（皖教秘高〔2011〕66号）