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【摘 要】针对典型的无线传感器网络低能量自适应聚类协议（LEACH）进行性能仿真分析。从无线传感器网络汇聚节点的位置、路由协议运行的轮周期以及簇头选举的概率等方面进行LEACH路由协议的性能分析，并在LEACH的基础上提出一种改进的路由协议，该协议比LEACH的能耗更低。
【关键词】LEACH;路由;仿真
1.前言
无线传感器网络的路由协议是无线传感器网络数据传输的基础。低能量自适应聚类协议（LEACH）是最为典型的分簇式路由协议，许多路由协议或算法都是在其基础上进行改进和设计得来。
因此本文主要从无线传感器网络汇聚节点的位置、路由协议运行的轮周期以及簇头选举的概率等方面分析LEACH路由协议的性能，并分析参数不一致时仿真运行可能出现的不同现象，并在LEACH的基础上提出一种混合的路由协议。
2.LEACH协议简介
LEACH是一种基于自组织和自适应的协议[1]。该协议首先将区域划分为簇，簇内普通节点直接与本地簇首传输，簇首融合处理本簇的数据后单跳传输至汇聚节点。LEACH协议以“轮”为运行的时间单位。由于簇首的能耗比较大，每轮簇首节点将重新随机选举，有效避免当选簇首的节点能量消耗过快，过早退出网络。
假设节点传输距离为 ，发送 比特的信息将消耗能量：
接收 比特数据的能耗为：
其中， 表示收发电路的能量损耗， 表示通信半径， 和 分别表示自由空间模型和多径衰落模型的放大系数，传输距离大于通信距离时网络的能量消耗为自由空间计算模型，传输距离小于通信距离时网络的能量消耗为多径衰落计算模型。
可见节点间数据传输的能耗与通信距离相关，距离越远能耗越大。
2.1 簇首选举
LEACH协议每轮运行过程中，每个节点生成一个0到1之间的随机数，如果该随机数小于阈值 ，则该节点在此轮选为簇首。阈值 的公式如下：
其中 是网络中节点的总数， 表示当前的轮数， 表示每轮希望得到的簇首个数， 表示网络中簇首概率， 表示未当选过簇首的节点集合。
2.2簇的形成
每轮的选举结束后，簇首将向网络中所有普通节点广播自己成为簇首的消息。普通节点由此得知自己周围簇首节点的ID信息以及个数，以及在收到簇首的广播后，选择接收信号强的簇首加入它的簇。
每个簇首节点都负责维护自己所属簇成员的路由表，传输数据时，簇首节点采用TDMA为簇内节点分配各自通信的时隙，而在其它时间中一直处于休眠状态，以此来减少节点无线通信模块的能耗。
3.LEACH协议性能分析
采用Matlab进行仿真，仿真选择传感器节点数目为100个，分别部署在100m*100m的目标区域，仿真轮数2000轮，节点的初始能量为0.5J，能耗模型中发送信息能耗为0.00000005J/bit，接收信息能耗为0.00000005J/bit，自由空间放大器系数0.00000000001J/（bit·m2），数据融合能耗0.000000005J/ bit，多徑衰落放大器系数为0.00000000000000013J/（bit·m4）。
3.1汇聚节点位置对网络的影响
以汇聚节点的坐标分别为（50，180）、（50，50）、（180，50）来进行仿真，图1结果表明第二组节点的生命周期最长。因为LEACH协议中簇首与汇聚节点以单跳的方式直接传输，两者距离越大时，传输耗能越大，位于区域中心（50，50）的汇聚节点，与网络中各簇首节点的距离较近，能够一定程度减少各簇首与汇聚节点之间的能量消耗，增长网络的运行生命周期。
3.2簇首概率和轮周期对网络的影响
以每轮选举为簇首的概率 分别为0.05%、0.08%、0.1%来进行仿真，轮周期选择 轮为一个周期，图1结果表明概率为0.05%时节点的生命周期最长。但并不代表各种场景都是 值越小生命周期越长，而是要根据总节点的个数得到一个合适的簇头数。因为簇首过多时，网络会消耗过多的能量用于数据融合和向汇聚节点传输;当簇首节点过少时，某些处于网络边缘的簇首与汇聚节点距离较远，进行通信会消耗更多的能量。同时对于轮周期来说，太长会导致大部分节点中已经被当选过簇头，而导致簇头数过少，节点加入较远的簇头而导致节点的能量消耗过快，太短会导致部分节点多次当选簇头而导致节点过早死亡。在进行仿真时，在轮周期过长时，需要关注是否存在“空转”现象，即这一轮的运行实际没有选出簇头，因此节点和簇头间也不会通信，也就没有消耗能量，在仿真中需要将这样的”空转“现象排除掉，否则仿真的结果与实际结果是有偏差的。
4.改进的混合LEACH算法
为了适合更广泛的网络拓扑结构，提出了一种改进的LEACH算法。每一轮运行时，根据LEACH算法选出簇头后，节点判断自己与基站的距离近还是某簇头的距离近，若与基站近，直接发送数据给基站而不加入任何簇，从而可以降低节点本身的能量消耗，以及簇头的能量消耗。相对与最初的LEACH协议来说，在能量消耗方面有所改进。
5.结论
通过对LEACH协议的性能分析，提出来一种改进的LEACH协议算法，该算法比LEACH协议有更低的能量消耗。
参考文献：
[1]Heinzelman W R Chandrakasan A P，Balakrishnan H . Energy-efficient communication protocol for wireless sensor networks[C]，Hawaii International Conference on System Sciences. IEEE，2000.
[2]马宏飞.无线传感器网络高能效分簇路由协议的研究[D]. 哈尔滨理工大学，2021.
基金项目：
物联网中无线传感器网络安全关键技术研究（成都工业学院校级项目，编号2019ZR025）
【关键词】LEACH;路由;仿真
1.前言
无线传感器网络的路由协议是无线传感器网络数据传输的基础。低能量自适应聚类协议（LEACH）是最为典型的分簇式路由协议，许多路由协议或算法都是在其基础上进行改进和设计得来。
因此本文主要从无线传感器网络汇聚节点的位置、路由协议运行的轮周期以及簇头选举的概率等方面分析LEACH路由协议的性能，并分析参数不一致时仿真运行可能出现的不同现象，并在LEACH的基础上提出一种混合的路由协议。
2.LEACH协议简介
LEACH是一种基于自组织和自适应的协议[1]。该协议首先将区域划分为簇，簇内普通节点直接与本地簇首传输，簇首融合处理本簇的数据后单跳传输至汇聚节点。LEACH协议以“轮”为运行的时间单位。由于簇首的能耗比较大，每轮簇首节点将重新随机选举，有效避免当选簇首的节点能量消耗过快，过早退出网络。
假设节点传输距离为 ，发送 比特的信息将消耗能量：
接收 比特数据的能耗为：
其中， 表示收发电路的能量损耗， 表示通信半径， 和 分别表示自由空间模型和多径衰落模型的放大系数，传输距离大于通信距离时网络的能量消耗为自由空间计算模型，传输距离小于通信距离时网络的能量消耗为多径衰落计算模型。
可见节点间数据传输的能耗与通信距离相关，距离越远能耗越大。
2.1 簇首选举
LEACH协议每轮运行过程中，每个节点生成一个0到1之间的随机数，如果该随机数小于阈值 ，则该节点在此轮选为簇首。阈值 的公式如下：
其中 是网络中节点的总数， 表示当前的轮数， 表示每轮希望得到的簇首个数， 表示网络中簇首概率， 表示未当选过簇首的节点集合。
2.2簇的形成
每轮的选举结束后，簇首将向网络中所有普通节点广播自己成为簇首的消息。普通节点由此得知自己周围簇首节点的ID信息以及个数，以及在收到簇首的广播后，选择接收信号强的簇首加入它的簇。
每个簇首节点都负责维护自己所属簇成员的路由表，传输数据时，簇首节点采用TDMA为簇内节点分配各自通信的时隙，而在其它时间中一直处于休眠状态，以此来减少节点无线通信模块的能耗。
3.LEACH协议性能分析
采用Matlab进行仿真，仿真选择传感器节点数目为100个，分别部署在100m*100m的目标区域，仿真轮数2000轮，节点的初始能量为0.5J，能耗模型中发送信息能耗为0.00000005J/bit，接收信息能耗为0.00000005J/bit，自由空间放大器系数0.00000000001J/（bit·m2），数据融合能耗0.000000005J/ bit，多徑衰落放大器系数为0.00000000000000013J/（bit·m4）。
3.1汇聚节点位置对网络的影响
以汇聚节点的坐标分别为（50，180）、（50，50）、（180，50）来进行仿真，图1结果表明第二组节点的生命周期最长。因为LEACH协议中簇首与汇聚节点以单跳的方式直接传输，两者距离越大时，传输耗能越大，位于区域中心（50，50）的汇聚节点，与网络中各簇首节点的距离较近，能够一定程度减少各簇首与汇聚节点之间的能量消耗，增长网络的运行生命周期。
3.2簇首概率和轮周期对网络的影响
以每轮选举为簇首的概率 分别为0.05%、0.08%、0.1%来进行仿真，轮周期选择 轮为一个周期，图1结果表明概率为0.05%时节点的生命周期最长。但并不代表各种场景都是 值越小生命周期越长，而是要根据总节点的个数得到一个合适的簇头数。因为簇首过多时，网络会消耗过多的能量用于数据融合和向汇聚节点传输;当簇首节点过少时，某些处于网络边缘的簇首与汇聚节点距离较远，进行通信会消耗更多的能量。同时对于轮周期来说，太长会导致大部分节点中已经被当选过簇头，而导致簇头数过少，节点加入较远的簇头而导致节点的能量消耗过快，太短会导致部分节点多次当选簇头而导致节点过早死亡。在进行仿真时，在轮周期过长时，需要关注是否存在“空转”现象，即这一轮的运行实际没有选出簇头，因此节点和簇头间也不会通信，也就没有消耗能量，在仿真中需要将这样的”空转“现象排除掉，否则仿真的结果与实际结果是有偏差的。
4.改进的混合LEACH算法
为了适合更广泛的网络拓扑结构，提出了一种改进的LEACH算法。每一轮运行时，根据LEACH算法选出簇头后，节点判断自己与基站的距离近还是某簇头的距离近，若与基站近，直接发送数据给基站而不加入任何簇，从而可以降低节点本身的能量消耗，以及簇头的能量消耗。相对与最初的LEACH协议来说，在能量消耗方面有所改进。
5.结论
通过对LEACH协议的性能分析，提出来一种改进的LEACH协议算法，该算法比LEACH协议有更低的能量消耗。
参考文献：
[1]Heinzelman W R Chandrakasan A P，Balakrishnan H . Energy-efficient communication protocol for wireless sensor networks[C]，Hawaii International Conference on System Sciences. IEEE，2000.
[2]马宏飞.无线传感器网络高能效分簇路由协议的研究[D]. 哈尔滨理工大学，2021.
基金项目：
物联网中无线传感器网络安全关键技术研究（成都工业学院校级项目，编号2019ZR025）