基于能量均衡的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )算法的改進(jìn)

摘 要：分層路由算法是延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )壽命的一個(gè)重要方法。然而現有的分簇算法大都存在著(zhù)負載能量不均衡的問(wèn)題。本文主要針對經(jīng)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(shí)對其負載能量不均衡的問(wèn)題作出改進(jìn)，并用MATLAB進(jìn)行仿真分析。仿真后的結果表明，改進(jìn)后的算法能夠均衡節點(diǎn)的能耗，使分簇更加合理，有效延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )的生命周期。

　　0 引言

　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是近年來(lái)信息技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它融合了傳感器、計算機科學(xué)、信號與信息處理、通信等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。作為一個(gè)新興的、正在發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，業(yè)界對其研究正在不斷深入。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為人類(lèi)與客觀(guān)物理世界的交互提供了一種新的有效手段，它的諸多特點(diǎn)使其應用范圍涉及軍事應用、工業(yè)監視與控制、醫療監護、智能家居、物流管理、消費電子等諸多領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)前景。2003 年8 月，美國《商業(yè)周刊》的技術(shù)*論將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )定位成21 世紀高技術(shù)領(lǐng)域的四大支柱型產(chǎn)業(yè)之一。

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，能量有效性是網(wǎng)絡(luò )性能的一個(gè)重要指標。它對能源消耗有著(zhù)很?chē)栏竦南拗?，應盡可能少地消耗能量以達到延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )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(lèi)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?xún)?yōu)化。

　　1 經(jīng)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )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點(diǎn)，其他各節點(diǎn)根據接收到的來(lái)自簇頭的信號強度進(jìn)行集群分組，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能量負載平均分配到每個(gè)傳感器節點(diǎn)中，從而降低網(wǎng)絡(luò )能源消耗，提高網(wǎng)絡(luò )整體生存時(shí)間。

　　LEACH 協(xié)議定義了“輪”的概念，每一輪由簇的建立和穩定狀態(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(gè)節點(diǎn)n 而言，為其隨機選取一個(gè)在0 到1 之間的隨機數，若這個(gè)數字小于一個(gè)門(mén)限值T(n)，則節點(diǎn)n 就成為本輪的簇頭節點(diǎn)。門(mén)限T(n)定義如下：

　　其中，P 是網(wǎng)絡(luò )中簇頭節點(diǎn)占總節點(diǎn)數目的百分比；r 是當前的輪數；G 是在前1/P 輪中沒(méi)有擔當過(guò)簇頭節點(diǎn)的節點(diǎn)集合；符號mod 是求模運算符號。

　　簇頭節點(diǎn)選定后，向周?chē)鷱V播自己成為簇頭的信息（ADV），非簇頭節點(diǎn)根據接收到的信號強度來(lái)決定從屬的簇類(lèi)。當簇頭收到反饋消息后，便為簇內節點(diǎn)分配時(shí)隙（基于TDMA 方式）。在穩定階段，簇內節點(diǎn)在自己時(shí)隙到來(lái)時(shí)刻向簇頭發(fā)送檢測數據，簇頭節點(diǎn)則將接收到的數據后進(jìn)行必要的融合后傳送到基站或匯聚節點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數據傳送后，網(wǎng)絡(luò )重新進(jìn)行簇的建立階段，進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò )上，大大節約了通信過(guò)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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，可以延長(cháng)整個(gè)系統的生存時(shí)間。另外，簇頭節點(diǎn)在處理數據時(shí)用到了數據融合和數據壓縮技術(shù)，使得傳輸的數據量大大減小。但LEACH 算法同時(shí)也存在著(zhù)許多不足之處：

　　(1)簇頭選擇問(wèn)題 。LEACH 協(xié)議的簇頭是隨機產(chǎn)生的，選擇機制中沒(méi)有考慮節點(diǎn)的剩余能量和節點(diǎn)已經(jīng)做過(guò)簇頭的次數。一旦所剩能量較少的節點(diǎn)成為簇頭，將會(huì )很快耗盡其能量，過(guò)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(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間。

　　(2)簇頭數量問(wèn)題。在 LEACH 協(xié)議隨機選擇簇頭的機制中，并沒(méi)有控制簇頭的數量。所以很有可能在某一輪中出現只產(chǎn)生一兩個(gè)簇頭，或產(chǎn)生很多簇頭的情況。若簇頭過(guò)少，則成員節點(diǎn)要經(jīng)過(guò)很長(cháng)的路徑與簇頭進(jìn)行通信，簇頭也將接收大量節點(diǎn)的信息并向基站進(jìn)行轉發(fā)。因此對每一個(gè)節點(diǎn)來(lái)說(shuō)都負擔過(guò)重；而若產(chǎn)生過(guò)多簇頭，則會(huì )有過(guò)多的節點(diǎn)與基站通信，降低了網(wǎng)絡(luò )能量的利用率。

　　(3)簇頭分布問(wèn)題。 LEACH 協(xié)議中，雖然在統計上簇頭是均勻分布的，但是由于簇頭產(chǎn)生的隨機性，可能會(huì )出現部分區域簇頭密度大，部分區域簇頭稀少的現象。

　　2 LEACH 算法的優(yōu)化

　　上述LEACH 算法中的不足，導致了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )負載能量不均衡。本文主要通過(guò)改進(jìn)簇頭節點(diǎn)選舉算法來(lái)對LEACH 協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。主要目標是避免能量低的節點(diǎn)成為簇頭，控制簇頭數量達到最優(yōu)，減少簇頭在每輪中分布不均的現象。從而達到降低系統能量消耗，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期的最終目的。

　　2.1 簇頭選舉機制的算法改進(jìn)

　　對于簇頭選舉的改進(jìn)協(xié)議，在文獻[6]中將其閾值作了改進(jìn)：

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