LEACH路由協(xié)議分析 - 基于最小能耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

　　最早的分簇路由協(xié)議是由Wendi等三人在2000年提出的LEACH算法，全稱為“低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議”。LEACH算法的每一輪操作分為兩個(gè)運(yùn)行階段：簇建立階段和簇穩(wěn)定運(yùn)行階段。由于簇建立階段是屬于額外的通信需求，所以穩(wěn)定運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間要遠(yuǎn)大于建立階段持續(xù)的時(shí)間。

　　在簇建立階段，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個(gè)0，1之間的隨機(jī)數(shù)，并且與閾值T(n)做比較，如果小于該閾值，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)當(dāng)選為簇首。T(n)按照下面公式計(jì)算：

?

　　式中：P為節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的百分?jǐn)?shù);r為當(dāng)前輪數(shù);G為在這一輪中未當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)集合。

　　簇首節(jié)點(diǎn)選定后，廣播自己成為簇首的消息，節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的消息的強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇，并告知相應(yīng)的簇首，完成簇的建立過(guò)程。然后，簇首節(jié)點(diǎn)采用TDMA的方式，為簇內(nèi)成員分配傳送數(shù)據(jù)的時(shí)隙。以上LEACH算法存在一個(gè)很大的缺陷，即協(xié)議沒(méi)有說(shuō)明蔟首節(jié)點(diǎn)的數(shù)目怎么分布才能遍及于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此，很可能出現(xiàn)被選的簇首節(jié)點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)某一區(qū)域的現(xiàn)象，這樣就會(huì)使得一些節(jié)點(diǎn)的周?chē)鷽](méi)有任何簇首節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，由于簇首節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)選擇的，有可能出現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量過(guò)低而不能成為簇首節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效。

　　2 基于最小能耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

　　2.1 算法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖3所示為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)被分為匯聚節(jié)點(diǎn)、簇首節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)子區(qū)域組成，子區(qū)域自主產(chǎn)生簇首節(jié)點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)通信并通過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。

?

　　2.2 算法描述

　　為了改進(jìn)上述LEACH算法存在的缺點(diǎn)，本文采用了以下方法：網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)類似文獻(xiàn)中的擴(kuò)散法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)子區(qū)域，然后再在各個(gè)子區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取簇首節(jié)點(diǎn)，這樣可以保證簇首節(jié)點(diǎn)更加均勻地分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)，設(shè)定節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值Eth，每次選取簇首節(jié)點(diǎn)之前，對(duì)剩余能量低于閾值的節(jié)點(diǎn)采取休眠處理。這樣保證了簇首節(jié)點(diǎn)選取的可用性，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。圖4為簇首節(jié)點(diǎn)形成流程圖。網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，依然將節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間按周期劃分為簇首節(jié)點(diǎn)建立階段t1和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間t2。t1階段網(wǎng)絡(luò)首先在各個(gè)子區(qū)域內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生簇首節(jié)點(diǎn)，新簇首節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生后廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)在接收到信息后開(kāi)始發(fā)送入簇信息，簇首節(jié)點(diǎn)則為其分配通信時(shí)隙。圖5為整個(gè)算法的流程圖，在建立新的簇首節(jié)點(diǎn)和傳輸網(wǎng)絡(luò)后，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)，并在其內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過(guò)t2后，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始重新選取簇首節(jié)點(diǎn)，此時(shí)要注意，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將判斷自己的剩余能量，對(duì)低于閾值的采取休眠處理并廣播告知其他節(jié)點(diǎn)。

?

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　在分析LEACH算法和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量模型的基礎(chǔ)上，本文提出了一種改進(jìn)算法。在隨機(jī)選取簇首節(jié)點(diǎn)之前，首先把網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)子區(qū)域，這樣可以將簇首節(jié)點(diǎn)分步得更加均勻，同時(shí)設(shè)定剩余能量閾值Eth，在每次選取簇首節(jié)點(diǎn)之前對(duì)剩余能量低于Eth的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠處理，有效地提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。