一種基于LEACH的改進(jìn)型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法

摘要：路由算法是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的核心技術(shù)之一。在LEACH算法的基礎上，提出了一種基于距離和能量考慮選擇第二層簇頭的兩層LEACH算法DE―LEACH，有效避免了低能量且離基站較遠的節點(diǎn)與基站直接通信，提高了網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間和數據采集能力。利用事件驅動(dòng)的方法，減少了發(fā)送數據量，進(jìn)一步延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )生存期。
關(guān)鍵詞：路由算法；第二層簇頭選擇；網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間；數據采集能力；數據融合；事件驅動(dòng)

0 引 言
微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)的不斷發(fā)展，使設計低功耗多功能的無(wú)線(xiàn)傳感器成為可能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在監測區域內部署大量的廉價(jià)低功耗傳感器節點(diǎn)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并以無(wú)線(xiàn)通信的方式通過(guò)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給遠程基站(BS)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是未來(lái)全球的三大高科技產(chǎn)業(yè)之一，具有廣闊的應用前景，在軍事國防、災害預警、環(huán)境監測、醫療等許多領(lǐng)域都有巨大的應用價(jià)值。
作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )核心技術(shù)之一，路由協(xié)議的性能在很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò )的整體性能，因此，路由算法始終是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的熱點(diǎn)。根據各個(gè)節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中功能的異同，可將路由算法分為平面型和層次型路由。由于平面型路由可擴展性差，且維護動(dòng)態(tài)變化的路由需要大量的控制信息，若部署在人類(lèi)到達比較困難的地區，維護相對困難。層次型路由算法克服了以上不足，可擴充性好，網(wǎng)絡(luò )中控制信息相對較少，得到了廣泛的應用。LEACH是第一個(gè)基于多簇結構的層次型路由協(xié)議，其成簇思想在其后很多協(xié)議中都被用到，如TEEN等。
在LEACH算法中，各節點(diǎn)根據簇頭概率p自主決定在該輪是否充當簇頭，一旦成為簇頭便通過(guò)廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，由于簇頭選擇是完全自主和隨機的，不需要節點(diǎn)間通信協(xié)調，因此LEACH算法具有節約能量、實(shí)現簡(jiǎn)單、可擴展性好等特點(diǎn)，便于部署于人們難以到達區域。但是，隨機簇頭選擇不能保證每輪簇頭節點(diǎn)的數目和分布，易造成網(wǎng)絡(luò )內節點(diǎn)能量損耗不均，節點(diǎn)生存期散布較大，到網(wǎng)絡(luò )生存期后期會(huì )形成監控盲點(diǎn)，影響了網(wǎng)絡(luò )的整體性能。
本文在LEACH的基礎上提出了一種兩層簇頭算法DE―LEACH(Distance―Energy LEACH)，第一層簇頭選舉機制與LEACH相同，之后從已選出的簇頭中根據剩余能量大小和距離基站(BS)的遠近折衷考慮選出第二層簇頭。第一層簇頭采集到的數據經(jīng)過(guò)融合處理后發(fā)送到第二層簇頭，再由第二層簇頭完成二次融合和將監測數據轉發(fā)到基站的工作。由于第二層簇頭選舉機制綜合考慮了節點(diǎn)剩余能量和其到基站的距離，因此避免了剩余能量較少且距基站較遠的第一層簇頭與基站間的直接通信。仿真結果表明，DE―LEACH延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )首節點(diǎn)死亡時(shí)間，縮短了首節點(diǎn)死亡到末節點(diǎn)死亡的時(shí)間間隔，同時(shí)網(wǎng)絡(luò )總的數據采集能力得到明顯提高。

1 LEACH算法簡(jiǎn)介
LEACH算法引入了輪的概念，每輪簇頭節點(diǎn)進(jìn)行輪換，以達到分散各節點(diǎn)能量消耗的目的。每一輪包括簇建立和穩定運行兩個(gè)階段。為減少管理消耗，穩定運行階段時(shí)間要長(cháng)于簇建立階段。
在簇建立階段，每個(gè)節點(diǎn)自主決定是否在本輪充當簇頭，具體的選舉辦法是：由各節點(diǎn)自主生成0～1之間的隨機數，若此隨機數小于某門(mén)限T(n)，則此節點(diǎn)在本輪充當簇頭。這種簇頭產(chǎn)生的隨機性保證了簇頭與基站之間較高的通信代價(jià)在網(wǎng)內各節點(diǎn)之間得到分攤。
門(mén)限T(n)定義為：

其中：p是網(wǎng)絡(luò )中簇頭節點(diǎn)占總節點(diǎn)數的百分比；r是已完成輪數；G是在前1／p輪中沒(méi)有充當過(guò)簇頭節點(diǎn)的節點(diǎn)集合。舉例來(lái)說(shuō)，第1輪(r=0)，每個(gè)節點(diǎn)成為簇頭的概率都是p，第1輪的簇頭在包括此輪之后的1／p輪中都不再充當簇頭節點(diǎn)(即第1～20輪)。此后，由于能夠充當簇頭節點(diǎn)的節點(diǎn)數目變少了，因此每個(gè)節點(diǎn)成為簇頭的概率就必須增加以保證每輪簇頭數。1／p一1輪過(guò)后，沒(méi)當過(guò)簇頭的節點(diǎn)充當簇頭的概率都是1，都能夠成為簇頭節點(diǎn)。1／p輪后，所有節點(diǎn)又都可以自主隨機決定是否充當簇頭節點(diǎn)。在文獻中，作者論證了最優(yōu)簇頭節點(diǎn)百分比為p=5％。