无线传感器网络LEACH路由协议的改进算法

1、 无线传感器网络 LEACH 路由协议的改进算法摘 要 :针对无线传感器网络簇头节点选取难、网络生存周期短、 能量消耗大等问题 , 本文在传统的 leach 算法基础上 , 设计了e-leach 算法 ,e-leach 算法引入了能量阈值的概念。能量阈值是判 断该节点是否可以作为簇头节点的先决条件 , 同时引入距离因子的 概念 , 在每轮选取簇头时 , 都会考虑到和基站的距离。仿真实验表明 , 该算法有效的降低了网络能耗 , 延长了节点的生命时间。关键词 :无线传感器网络 leach 节点生存周期 能量中图分类号 :tp3 文献标识码 :a 文章编号 :1672-3791(201206(b-0

2、015-02近年来 , 由于无线技术、计算机技术与传感器技术的迅猛发展和快 速融合 , 无线传感器网络应运而生。无线传感器网络技术作为一种 新型网络技术受到研究者的普遍重视和广泛研究 1。但传感器网络也有一些固有的缺点如 :能量利用率低、生存周期 短、抗干扰能力差。而通过良好的分簇算法不仅可以减少传感器节 点的能耗 , 还可以降低通讯干扰、提高 mac 协议和路由协议的效率。 因此 , 提出一个高效稳定合理的算法便成为迫切需要解决的问题 2。 本文在 leach 算法的基础上 , 综合考虑了各个节点的剩余能量 , 提出了一种更为高效、更为合理的低开销自适应分层的 e-leach 算 法。1 l

3、each算法分析 leach 协议是由 wendi 等人提出的 , 其基本思想是 :提出了“轮 (round”的概念 , 通过每一轮的循环随机选择簇头节点 , 然后再对 簇头节点进行轮换 , 从而达到平衡和降低能耗、延长网络的生存周 期的目的。在 leach 协议中 , 每一轮由两部分构成。第一部分是构 建簇阶段 , 第二部分为稳定工作阶段。在实际的无线传感器网络中 , 经过多轮选举后 , 各个节点的剩余能 量将会有很大的不同 , 靠近簇头的节点剩余的能量多 , 而远离簇头 的节点剩余的能量少。但是在传统的 leach 算法中 , 所有的节点成 为簇首节点的概率是相同的。因此 , 若在以后的多

4、轮数据传播中都 选取远离基站的节点做簇头 , 则该节点的能量将很快被耗尽 , 最终 成为失效节点。过多的失效节点将导致整个网络的瘫痪。另外 , 在传统的 leach 算法中 , 每一轮的初始化阶段 , 节点根据接收 到簇头节的广播信号的强弱 , 选择要加入的簇。但是 , 这种方案不一 定是最优的方案。 a 、 b 、 c 为选择出来的簇首节点 ,d 为基站 ,e 为非 簇首节点。显然节点 e 距离 a 、 c 的距离均比距离 b 的距离近 , 但若 e 要将数据传到基站 d, 最优的簇头却应选 b 。因为不论是选 c 还是 选 a, 整个网络消耗的能量都大于 b 路径。2 leach改进算法针

5、对 leach 算法的不足之处 , 本文设计了 e-leach 算法 , 在很大程 度上解决了上述问题。 e-leach 算法构建簇时经过了两次选择。第 一次选择选出符合能量条件和距离极小条件的节点集合 , 第二次选 择才是真正的簇头选择阶段 , 在该集合中随机选出符合要求的簇头 节点。首先 ,e-leach 算法引入了能量阈值的概念。能量阈值是判断该节 点是否可以作为簇头节点的先决条件。能量阈值的计算公式 : (1式中 e(r为第 r 轮的能量阈值 ,k 为能量阈值因子 ,p 为期望的簇头 节点占所有有效节点的百分比 ,er 为第 r 轮循环网络中随机选取的 有效节点的能量总和 ,m 为第

6、r 轮中簇头节点总数。 在每一轮簇头选 择前 , 将每个符合簇头条件的节点能量与能量阈值相比 , 若节点能 量小于能量阈值则将该节点从簇头候选节点中剔除 35。 其次 ,e-leach 算法引入了距离因子 :(2其中 d m为监测区内节点到基站的最大距离 ,d(i为节点 i 到基站 的距离。有了距离因子 , 在每轮选取簇头节点将数据向基站传送时 , 都会考虑距离代价。从而选择出数据传输距离最小的路径。 经过第一次的选择 , 我们可以得到一个簇头候选集合 q 。(3q 是在 1/p轮中未成为簇头并且能量大于能量阈值的节点集合。 非 簇头节点选择加入簇时 , 也会参照能量阈值及距离因子 , 选出能

7、量 损耗最小的传输路径 6。4 仿真与实验分析 本方案使用 matlab 仿真。在仿真时 k 取 0.75, 传感器节点随机的 分布在 1000×1000的平面区域内。传感器节点数为 1000个 , 各个 节点初始能量为 3j, 基站坐标为 (50,750,数据包大小为 20bytes 。 leach 算法与 e-leach 算法存活节点的数量随时间的变化情况。 leach 算法与 e-leach 算法传输数据量与能耗的关系。由此次实验的仿真可以看出在初始节点数相同条件下 , 随时间的 推移 , 采用 leach 算法的无线传感器网络节点存活数明显低于采用 e-leach 算法的无线

8、传感器网络。而且在传送相同数据量的条件 下 ,e-leach 算法消耗的能量要更少。5 结语本文以传统的 leach 算法为基础 , 考虑了每一轮中各个节点剩余能 量不一致问题 , 以及所选路径并非最节能路径的问题。提出了能量 阈值及距离因子的概念 , 通过能量阈值及距离因子确定优选簇头集 合 , 再在此基础上选择出簇头节点。通过这种簇头选择优化算法 , 实 现了延长网络生存周期 , 提高节点能量利用率的目的。参考文献1 akyildiz i f,weilians, sankarasubramaniamy.a survey on sensor networks j. ieee communications magazine,2002. 2 akkaya k,younis m.asurvey on routing protocols for wirelesssensor networksj.adhocnetworks,2005.3 孙利民 , 李建中 , 陈渝 , 等 . 无线传感器网络 m.清华大学出 版社 ,2005.4 江冰 , 吴元忠 , 谢冬梅 . 无线传感器网络节点自定位算法的研 究 j.传感技术学报 ,2007.5 sichitiu m l.cross-layer scheduling for power effi