基于能量均衡的無線傳感器網絡算法的改進

摘 要：分層路由算法是延長無線傳感器網絡壽命的一個重要方法。然而現(xiàn)有的分簇算法大都存在著負載能量不均衡的問題。本文主要針對經典分簇算*EACH，對其基本思想、分簇機制和簇的通信方式等作了分析，同時對其負載能量不均衡的問題作出改進，并用MATLAB進行仿真分析。仿真后的結果表明，改進后的算法能夠均衡節(jié)點的能耗，使分簇更加合理，有效延長了網絡的生命周期。

　　0 引言

　無線傳感器網絡是近年來信息技術領域的一個研究熱點，它融合了傳感器、計算機科學、信號與信息處理、通信等多個領域的技術。作為一個新興的、正在發(fā)展的技術領域，業(yè)界對其研究正在不斷深入。無線傳感器網絡為人類與客觀物理世界的交互提供了一種新的有效手段，它的諸多特點使其應用范圍涉及軍事應用、工業(yè)監(jiān)視與控制、醫(yī)療監(jiān)護、智能家居、物流管理、消費電子等諸多領域，具有廣闊的市場及產業(yè)前景。2003 年8 月，美國《商業(yè)周刊》的技術*論將無線傳感網絡定位成21 世紀高技術領域的四大支柱型產業(yè)之一。

　　在無線傳感器網絡中，能量有效性是網絡性能的一個重要指標。它對能源消耗有著很嚴格的限制，應盡可能少地消耗能量以達到延長網絡生命周期的目的。因此，設計一種良好的路由協(xié)議，減少不必要的能源消耗是非常必要的。本文主要探討了低能量自適應聚類協(xié)議（LEACH），指出了LEACH 協(xié)議存在的缺陷，并給出相應的解決方案加以優(yōu)化。

　　1 經典LEACH 協(xié)議分析

　　1.1 算法描述

　　LEAC(Low-Energy Adaptive CluSTering Hierarchy）協(xié)議是針對無線傳感網絡設計的一種低功耗自適應分層路由算法，是最早提出的分簇路由協(xié)議。它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點，其他各節(jié)點根據接收到的來自簇頭的信號強度進行集群分組，使得整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而降低網絡能源消耗，提高網絡整體生存時間。

　　LEACH 協(xié)議定義了“輪”的概念，每一輪由簇的建立和穩(wěn)定狀態(tài)階段組成。在簇的建立階段，首批簇頭的選取是隨機的。對于一個節(jié)點n 而言，為其隨機選取一個在0 到1 之間的隨機數(shù)，若這個數(shù)字小于一個門限值T(n)，則節(jié)點n 就成為本輪的簇頭節(jié)點。門限T(n)定義如下：

　　其中，P 是網絡中簇頭節(jié)點占總節(jié)點數(shù)目的百分比；r 是當前的輪數(shù)；G 是在前1/P 輪中沒有擔當過簇頭節(jié)點的節(jié)點集合；符號mod 是求模運算符號。

　　簇頭節(jié)點選定后，向周圍廣播自己成為簇頭的信息（ADV），非簇頭節(jié)點根據接收到的信號強度來決定從屬的簇類。當簇頭收到反饋消息后，便為簇內節(jié)點分配時隙（基于TDMA 方式）。在穩(wěn)定階段，簇內節(jié)點在自己時隙到來時刻向簇頭發(fā)送檢測數(shù)據，簇頭節(jié)點則將接收到的數(shù)據后進行必要的融合后傳送到基站或匯聚節(jié)點。經過一段時間的數(shù)據傳送后，網絡重新進行簇的建立階段，進行下一輪的簇重建，如此循環(huán)。

　　1.2 LEACH 算法的局限性

　　LEACH 算法將負載均勻地分布在整個網絡上，大大節(jié)約了通信過程中的能量損耗。簇頭位置的輪換算法把遠距離通信的負載輪流分配給網絡節(jié)點，可以延長整個系統(tǒng)的生存時間。另外，簇頭節(jié)點在處理數(shù)據時用到了數(shù)據融合和數(shù)據壓縮技術，使得傳輸?shù)臄?shù)據量大大減小。但LEACH 算法同時也存在著許多不足之處：

　　(1)簇頭選擇問題 。LEACH 協(xié)議的簇頭是隨機產生的，選擇機制中沒有考慮節(jié)點的剩余能量和節(jié)點已經做過簇頭的次數(shù)。一旦所剩能量較少的節(jié)點成為簇頭，將會很快耗盡其能量，過早死亡。其簇內成員也將因收不到已死簇頭發(fā)出的信息而不斷地發(fā)送請求信號，耗費大量的能量而導致加速死亡，降低了整個網絡的生存時間。

　　(2)簇頭數(shù)量問題。在 LEACH 協(xié)議隨機選擇簇頭的機制中，并沒有控制簇頭的數(shù)量。所以很有可能在某一輪中出現(xiàn)只產生一兩個簇頭，或產生很多簇頭的情況。若簇頭過少，則成員節(jié)點要經過很長的路徑與簇頭進行通信，簇頭也將接收大量節(jié)點的信息并向基站進行轉發(fā)。因此對每一個節(jié)點來說都負擔過重；而若產生過多簇頭，則會有過多的節(jié)點與基站通信，降低了網絡能量的利用率。

　　(3)簇頭分布問題。 LEACH 協(xié)議中，雖然在統(tǒng)計上簇頭是均勻分布的，但是由于簇頭產生的隨機性，可能會出現(xiàn)部分區(qū)域簇頭密度大，部分區(qū)域簇頭稀少的現(xiàn)象。

　　2 LEACH 算法的優(yōu)化

　　上述LEACH 算法中的不足，導致了無線傳感器網絡負載能量不均衡。本文主要通過改進簇頭節(jié)點選舉算法來對LEACH 協(xié)議進行優(yōu)化。主要目標是避免能量低的節(jié)點成為簇頭，控制簇頭數(shù)量達到最優(yōu)，減少簇頭在每輪中分布不均的現(xiàn)象。從而達到降低系統(tǒng)能量消耗，延長網絡生命周期的最終目的。

　　2.1 簇頭選舉機制的算法改進

　　對于簇頭選舉的改進協(xié)議，在文獻[6]中將其閾值作了改進：

　　式中，是節(jié)點n 當前的剩余能量，是節(jié)點n 的初始能量。