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摘要：随着传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的快速发展，低功耗成为无线传感网络中关键性的问题，通过研究无线传感器网络的分簇式路由协议，分析了LEACH协议的不足并提出自己的改进思路（LEACH-ME协议）。仿真结果显示改进后的LEACH算法在性能上有所提高。
关键词：LEACH-ME协议；簇头多跳；网络生存时间；无线传感网络；低功耗
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)13-3052-02
Study on Duster Head Multi-hops Based on LEACH
LI Qing-yan, ZHAO Dong-e
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract: With the rapid development of sensor technology, micro-electromechanical systems, modern technologies and wireless communication networks, low-power becomes key issue in the wireless sensor networks, The paper would analysis deficiencies of LEACH protocol and propose own improvement ideas(LEACH-ME protocol) by studying the clustering routing protocol of wireless sensor networks. Simulation results show improved LEACH algorithm has improved in performance.
Key words: LEACH-ME protocol; head multi-hops; network-lifetime; wireless sensor network; low power consumption
无线传感器网络是由大量的低功率无线收发装置的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统[1]，其目的是协作地感知、采集和处理网络区域中的信息并发送给观察者。它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界等的广泛关注，并且成功应用于军事，国家安全、环境监测、工业过程控制等领域。由于传感器节点的电池能量有限，因此节点的通信应有效的利用能量，以延长网络的生命周期。原有的LEACH协议采用簇头节点随机选取的方式，改进后的LEACH-ME协议以节点剩余能量的多少为主要依据来选择簇头节点，采用多跳通信方式向基站传输数据，改进后的LEACH-ME协议的提出大大减少了系统的功耗，延长了网络的生命周期，尤其在恶劣环境下，诸如矿井下瓦斯浓度测试报警系统、冲击波超压场测试系统、无人机环境监测系统等，为无线通信提供能源的电池是有限的，低功耗的要求是非常迫切的，改进后的LEACH-ME协议节省网络能耗，实现网络负载平衡，比原有的LEACH协议在性能上有所提高。
1 LEACH协议的簇头多跳
1.1 无线传感器路由协议分类
无线传感器网络路由协议负责在汇聚节点和其余节点以及其余节点间可靠地传输数据。根据不同的角度，可以对无线传感器网络路由协议进行不同的分类，根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型：根据网络管理的逻辑结构，可将路由协议分为平面路由和分层结构路由两类[2]。典型的平面路由协议有泛洪法、SPIN、SPEED、DD等。
与平面路由协议相对应的是分层结构的路由协议，分层路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分，分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一定的能源消耗，典型的分簇路由协议有LEACH、TEEN、PEGASIS等[3]。
1.2 LEACH协议以及LEACH-ME协议的提出
LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協议是基于层次路由思想，它是第一个在无线传感器网络中提出的分簇式路由协议，在无线传感器网络路由协议中占有重要地位，其它基于分簇的路由协议如TEEN，APTEEN，PEGASIS等大都由LEACH发展而来。LEACH节约能量的主要原因就是它运用了数据压缩技术和分簇动态路由技术，通过本地的联合工作来提高网络的可扩展性和鲁棒性，通过数据融合来减少发送的数据量，通过把节点随机的设置成“簇头节点”来达到在网络内部负载均衡的目的，防止群头节点的过快死亡。
在LEACH的路由算法中，使用的能量模型是第一顺序无线电能量模型[4] (first order radio model)，该模型对无线传感器网络做了如下的假设：
a) 网络中所有传感器节点完全相同，并且能量有限。
b) 无线电信号在各个方向上消耗的能量相同。
c) 基站位置固定并且离网络中的传感器节点较远。
最初的簇建立阶段，每个节点要决定是否充当本轮的簇头节点。这个决定主要取决于整个网络中簇头节点占所有节点数目的百分比(在初始化时设置)，并且取决于这个节点在过去的操作中充当过簇头节点的次数。对于一个节点n来说，为节点n随机选取一个在0到1之间的数字，成为标志值或者节点的ID号。如果n的这个标志值小于一个门限值T(n)的话，节点n就充当本轮的簇头节点。门限T(n)定义如下：
(1)
(2)
其中，P是网络中簇头节点所占总节点数目的百分比(例如P=0.05)。r为当前的轮数，使用这个门限，每个节点会在1/P轮操作内充当一次簇头节点。符号mod是求模运算符号。
从理论上来讲，接收到的信号强度最大，那么两者之间的通信功耗会最小。对于单跳路径选择模式，簇头节点离基站很远就会使簇头消耗很大的能量，导致簇头节点过早的死亡。针对低功耗改进，减少簇头节点的负载，提出了LEACH协议的多跳簇头算法——LEACH-ME协议。
1.3 LEACH-ME协议的描述
针对无线传感器网络分簇LEACH协议加以改进，选举簇头的时候，根据节点剩余能量加以调整随机数的产生，具体为：节点剩余能量大于初始节点能量的一半时，采用原LEACH协议的随机数产生方法；节点剩余能量小于等于初始节点能量的一半时，采用LEACH-ME（修正的LEACH协议）协议的随机数产生方法，即产生0至0.5之间的随机数。目的在于充分利用节点剩余能了较多的节点担当簇头，均衡网络能耗。
2 仿真结果分析
通过编程软件MATLAB 2009a，仿真实现了LEACH协议和LEACH-ME协议，并对比二者网络生存时间（图1），由图1可以看出LEACH协议在639轮生存节点的数目开始减少.而且递减速度较快，而LEACH-ME协议基本保持恒定的状态，可见LEACH-ME协议下的网络生存时间较LEACH协议具有一定的优越性。图2则给出了基站位置为(50，175)，网络区域A大小为100m×100 m，节点数量为100时节点分布图。表1为仿真时参数设置表。
图1 网络生存时间 图2 节点的分布图
3 结论
在考虑传感器网络的低功耗，在选举簇头的时候，根据节点剩余能量加以调整随机数的产生，提出基于LEACH的簇头多跳LEACH-ME协议，通过MATLAB仿真实验，通过二者的网络生存时间对比表分析表明，LEACH-ME协议比LEACH协议在能量开销和网络生命时间方面性能要好很多。由于改进的算法首先根据区域面积、节点数目及基站位置来确定最优簇数目而不是低功耗自适应算法中的固定值，并且还继承了LEACH按轮选举簇头的特点，使得能量消耗均衡的分布在各节点上，又对簇头节点采用了多跳算法，而且保证了数据尽快地传输到基站，弥补了LEACH算法单跳的不足，从而使网络寿命得到了相应的延长。
参考文献：
[1] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华人学出版社,2005.
[2] Akyildiz I F,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102-116.
[3] 杨明帅.无线传感器网络路由算法研究[D].杭州:浙江大学信息与电子工程学系,2005.
[4] Heinzelman W R,Chandrakasan A.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Sensor Networks[C].Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences,2000(2):4-18.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：LEACH-ME协议；簇头多跳；网络生存时间；无线传感网络；低功耗
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)13-3052-02
Study on Duster Head Multi-hops Based on LEACH
LI Qing-yan, ZHAO Dong-e
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract: With the rapid development of sensor technology, micro-electromechanical systems, modern technologies and wireless communication networks, low-power becomes key issue in the wireless sensor networks, The paper would analysis deficiencies of LEACH protocol and propose own improvement ideas(LEACH-ME protocol) by studying the clustering routing protocol of wireless sensor networks. Simulation results show improved LEACH algorithm has improved in performance.
Key words: LEACH-ME protocol; head multi-hops; network-lifetime; wireless sensor network; low power consumption
无线传感器网络是由大量的低功率无线收发装置的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统[1]，其目的是协作地感知、采集和处理网络区域中的信息并发送给观察者。它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界等的广泛关注，并且成功应用于军事，国家安全、环境监测、工业过程控制等领域。由于传感器节点的电池能量有限，因此节点的通信应有效的利用能量，以延长网络的生命周期。原有的LEACH协议采用簇头节点随机选取的方式，改进后的LEACH-ME协议以节点剩余能量的多少为主要依据来选择簇头节点，采用多跳通信方式向基站传输数据，改进后的LEACH-ME协议的提出大大减少了系统的功耗，延长了网络的生命周期，尤其在恶劣环境下，诸如矿井下瓦斯浓度测试报警系统、冲击波超压场测试系统、无人机环境监测系统等，为无线通信提供能源的电池是有限的，低功耗的要求是非常迫切的，改进后的LEACH-ME协议节省网络能耗，实现网络负载平衡，比原有的LEACH协议在性能上有所提高。
1 LEACH协议的簇头多跳
1.1 无线传感器路由协议分类
无线传感器网络路由协议负责在汇聚节点和其余节点以及其余节点间可靠地传输数据。根据不同的角度，可以对无线传感器网络路由协议进行不同的分类，根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型：根据网络管理的逻辑结构，可将路由协议分为平面路由和分层结构路由两类[2]。典型的平面路由协议有泛洪法、SPIN、SPEED、DD等。
与平面路由协议相对应的是分层结构的路由协议，分层路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分，分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一定的能源消耗，典型的分簇路由协议有LEACH、TEEN、PEGASIS等[3]。
1.2 LEACH协议以及LEACH-ME协议的提出
LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協议是基于层次路由思想，它是第一个在无线传感器网络中提出的分簇式路由协议，在无线传感器网络路由协议中占有重要地位，其它基于分簇的路由协议如TEEN，APTEEN，PEGASIS等大都由LEACH发展而来。LEACH节约能量的主要原因就是它运用了数据压缩技术和分簇动态路由技术，通过本地的联合工作来提高网络的可扩展性和鲁棒性，通过数据融合来减少发送的数据量，通过把节点随机的设置成“簇头节点”来达到在网络内部负载均衡的目的，防止群头节点的过快死亡。
在LEACH的路由算法中，使用的能量模型是第一顺序无线电能量模型[4] (first order radio model)，该模型对无线传感器网络做了如下的假设：
a) 网络中所有传感器节点完全相同，并且能量有限。
b) 无线电信号在各个方向上消耗的能量相同。
c) 基站位置固定并且离网络中的传感器节点较远。
最初的簇建立阶段，每个节点要决定是否充当本轮的簇头节点。这个决定主要取决于整个网络中簇头节点占所有节点数目的百分比(在初始化时设置)，并且取决于这个节点在过去的操作中充当过簇头节点的次数。对于一个节点n来说，为节点n随机选取一个在0到1之间的数字，成为标志值或者节点的ID号。如果n的这个标志值小于一个门限值T(n)的话，节点n就充当本轮的簇头节点。门限T(n)定义如下：
(1)
(2)
其中，P是网络中簇头节点所占总节点数目的百分比(例如P=0.05)。r为当前的轮数，使用这个门限，每个节点会在1/P轮操作内充当一次簇头节点。符号mod是求模运算符号。
从理论上来讲，接收到的信号强度最大，那么两者之间的通信功耗会最小。对于单跳路径选择模式，簇头节点离基站很远就会使簇头消耗很大的能量，导致簇头节点过早的死亡。针对低功耗改进，减少簇头节点的负载，提出了LEACH协议的多跳簇头算法——LEACH-ME协议。
1.3 LEACH-ME协议的描述
针对无线传感器网络分簇LEACH协议加以改进，选举簇头的时候，根据节点剩余能量加以调整随机数的产生，具体为：节点剩余能量大于初始节点能量的一半时，采用原LEACH协议的随机数产生方法；节点剩余能量小于等于初始节点能量的一半时，采用LEACH-ME（修正的LEACH协议）协议的随机数产生方法，即产生0至0.5之间的随机数。目的在于充分利用节点剩余能了较多的节点担当簇头，均衡网络能耗。
2 仿真结果分析
通过编程软件MATLAB 2009a，仿真实现了LEACH协议和LEACH-ME协议，并对比二者网络生存时间（图1），由图1可以看出LEACH协议在639轮生存节点的数目开始减少.而且递减速度较快，而LEACH-ME协议基本保持恒定的状态，可见LEACH-ME协议下的网络生存时间较LEACH协议具有一定的优越性。图2则给出了基站位置为(50，175)，网络区域A大小为100m×100 m，节点数量为100时节点分布图。表1为仿真时参数设置表。
图1 网络生存时间 图2 节点的分布图
3 结论
在考虑传感器网络的低功耗，在选举簇头的时候，根据节点剩余能量加以调整随机数的产生，提出基于LEACH的簇头多跳LEACH-ME协议，通过MATLAB仿真实验，通过二者的网络生存时间对比表分析表明，LEACH-ME协议比LEACH协议在能量开销和网络生命时间方面性能要好很多。由于改进的算法首先根据区域面积、节点数目及基站位置来确定最优簇数目而不是低功耗自适应算法中的固定值，并且还继承了LEACH按轮选举簇头的特点，使得能量消耗均衡的分布在各节点上，又对簇头节点采用了多跳算法，而且保证了数据尽快地传输到基站，弥补了LEACH算法单跳的不足，从而使网络寿命得到了相应的延长。
参考文献：
[1] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华人学出版社,2005.
[2] Akyildiz I F,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102-116.
[3] 杨明帅.无线传感器网络路由算法研究[D].杭州:浙江大学信息与电子工程学系,2005.
[4] Heinzelman W R,Chandrakasan A.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Sensor Networks[C].Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences,2000(2):4-18.
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