蒋阳-计算机应用研究-2010-27-11-4251-WSN中LEACH路由协议簇头数优化研究

（ wireless sensor networks ，WSN ） 技术是 无线传感器网络 在 LEACH 电模型第 27 卷第 11 期 2010 年 11 月计 算 机 应 用 研 究Application Research of ComputersVol. 27 No. 11Nov ． 2010WSN 中 LEACH 路由协议簇头数优化研究*蒋阳，孙柳林，敖文钧，袁敏（ 重庆大学 通信工程学院，重庆 400044）摘要： 基于簇的 LEACH 路由协议在大规模无线传感器网络中有着良好的适应性，但在具体的网络分簇过程 中由于每轮选择簇头节点时并没有考虑簇头节点的数量从而造成被选簇头节点的数量过多或过少，导致传感器节点因为不必要的数据融合或数据传输距离过长而 消 耗 过 多 的 能 量，缩 短 了 整 个 网 络 的 寿 命。

为 克 服 这 些 问 题，提出了一种优化簇头数的方法，计算出一个区域内最佳的簇头数范围，通过控制簇头的数量来改善网络的性 能。

仿真结果证明该算法能够提高网络的整体性能，延长网络的生存时间。

关键词： 无线传感器网络； LEACH 路由协议； 簇头数； 优化； 能量 中图分类号： TP393文献标志码： A文章编号： 1001-3695（ 2010） 11-4251-03doi ： 10． 3969 / j ． issn ． 1001-3695． 2010． 11． 068Research on optimal cluster-head number ofLEACH routing protocol for WSNJIANG Yang ，SUN Liu-lin ，AO Wen-jun ，YUAN Min（ College of Communication Engineering ，Chongqing University ，Chongqing 400044，China ）Abstract ： Cluster-based LEACH routing protocol had good adaptability for large-scale wireless sensor networks ． More or less cluster heads were selected without taking into account the number of cluster heads during the cluster forming process in net- work ． So these nodes had to consume additional energy because of data fusing or the long distance of data transmission and consequently reduced the network life-span ． This paper proposed a new cluster-heads selection algorithm to improve the net- work performance by controlling the number of cluster heads in an area ． The simulation experiment indicates that this optimal algorithm extended the network life-span and reduced the average energy consumption in network ． Key words ： WSN ； LEACH routing protocol ； cluster-head number ； optimal ； energy引言点选择过程 中 的 能 量 消 耗 ，提 出 一 种 LEACH 路 由 协 议 簇 头 节点的优化方法 ，该方法能 够 在 每 轮 中 选 择 合 适 的 簇 头 节 点［1］21 世纪最重要的技术之一，WSN 是由部署在监测区域内的大量 的数量，较好地 避 免 过 多 的 冗 余 簇 头 出 现 ，达 到 延 长 整 个 网 络使用寿命的目的 。

廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳 的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖 1 LEACH 路由协议区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器节点通常 采用电池供电，其计算能力、存储能力和能源供给十分有限，并 且在网络中部署的节点数量较大，这对传感器网络的设计、管理 及应用研究提出了许多挑战，路由协议是其中之一。

从 WSN 网 络的拓扑结构来看，其路由协议可分为平面路由和层次路由。

LEACH ［2］是 MIT 的 Heinzelman 等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类 分 层 路 由 协 议。

该 路 由 协 议 的 基 本 思 想是以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器 节 点 中，从 而 达 到 降 低 网 络 能 量 消 耗、 提高网络整体生存时间的目的。

其分簇结构如图 1 所示。

（ low-energy adaptive clustering hierarchy ） 低功耗自适应聚类分层路由协议中，簇 头 的 作 用 很 大，因 此 簇 头 节 点的选择就显 得 非 常 重 要 。

目 前 簇 头 节 点 的 选 择 主 要 是 依 据网络中所需要 的 簇 头 节 点 总 数 和 每 个 节 点 已 成 为 簇 头 节 点的次数来决定 ，但是其忽 略 了 在 整 个 网 络 中 簇 头 节 点 的 数 量，使得网络中簇头节点过 少 或 者 其 他 不 必 要 的 节 点 成 为 簇 头，浪费网 络 能 量，导 致 网 络 寿 命 降 低。

本 文 基 于 一 阶 无 线 的能量计算方法 ，通过 计 算 无 线 传 感 器 网 络 簇 头 节收稿日期： 2010-04-26； 修回日期： 2010-06-18基金项目： 国家“863”计划资助项目（ 2008AA01Z202） ； 国家“211 工程”三期建设项目（ S-09102）作者简介： 蒋阳（ 1963-） ，男，副教授，主要研究方向为通信工程、EDA 技术、计算机应用等； 孙柳林（ 1984-） ，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要 研究方向为无线传感器网络路由协议（ sunliulin8088@ 163． com ） ； 敖文钧（ 1979-） ，男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为无线自组网的安全性； 袁敏（ 1987-） ，女，四川彭山人，硕士研究生，主要研究方向为无线网络的数据传输．通过对一阶无线电模型和LEACH 路由协议围节点广播它是簇头的信息，T（n）的计算公式如下：{ 1 －p ×［r mod（1 /p）］( aM －1 ) + nE （E circuit+ ε amp d4tobs）（6）E head = nE circuit bit +簇头节点将簇中所有成员节点采集的数据进行信息融合并间要比建立阶段长。

为R =槡2L /4 的圆，则平均每个簇所占的区域为L π（8a）。

y θ本文利用称为一阶无线电模型E［d2head］=中，当网络中簇头节点过少或过在LEACH 路由协议(1 ) × E（E circuit+ ε amp d4tobs）+2（M －a）nE circuit + （M －a）nε amf槡E 4仿真软件NS2进行仿真分析MAC 接口层·4252·计算机应用研究第27 卷在簇的建立阶段，簇头节点的选择依据网络中所需要的簇［3］［2 ，6］的分头节点总数和迄今为止每个节点已成为簇头节点的次数来决定。

具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择0 ～1 之间的一个值，如果选定的值小于某一个阈值T（n），则该节点向周［4］pn∈GT（n）= （1）0 其他其中：p 是簇头占当前所有节点的百分比；r 是目前循环进行的次数；r mod（1 / p）表示这一轮中已当选的簇头节点的个数，G是未当选过簇头节点的集合。

选定簇头节点后，通过广播告知整个网络，网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点完成簇的建立。

最后簇头节点采用TDMA 方式为簇中析可知，每个簇头节点的能量消耗包括接收非簇头节点发送来的数据、融合数据以及发送融合后的数据到基站所消耗的能量。

另外，如果簇头节点离基站较远，那么数据必然经过多跳才能到达基站，这样也要消耗网络的能量。

因此结合式（2）和（3），在有M 个传感器节点、a 个簇的无线传感器网络中，任意一个簇头节点所消耗的能量为M n其中：n 为数据比特数；d tobs为簇头到基站的距离；E bit为融合一个比特的数据所消耗的能量；δ 为数据融合率。

考虑到簇头节点与其簇成员之间的距离不是很远，因此发送数据所消耗的能量可以在自由空间模式下进行，具体为每个节点分配向其传递数据的时间点。

Enohead = nE circuit+ nε amf d2tohead （7）稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。

［5］发送给基站，之后网络重新进入下一轮的簇重构，不断循环，每个簇采用不同的CDMA 代码进行通信来减少其他簇内节点的干扰。

为了减少网络的开销，一般情况下，稳定阶段持续的时［6］其中：d tohead为非簇头节点到其簇头的距离，由于所有的传感器节点分布在一个L × L 的区域内，该区域又被抽象成一个半径2设f（x，y）为任一个簇内的节点密度系数，那么非簇头节点到其簇头节点距离的平方的数学期望为E［d2tohead］= （x2 + y2）f（x，）dxdy = R2 f（R，）RdRdθ （8）2 LEACH协议能量计算模型将式（4）和（5）代入式（8）得到来计算能量，且本文的E［d2tohead］= a × ∫2θπ= 0∫ LR/=槡08aρR3dRdθ =πρL4128a研究基于以下前提条件：无线传感器网络由同样的节点组成、所有的节点有相同的初始能量、节点之间的距离可测、基站位又因为ρ =1L2，那么于无线传感器网络的外面。

因此无线传感器节点发送和接收n bit 的数据所消耗的能量可表示为E send = nE circuit+ nε amp dα（2）E receive = nE circuit（3）πL2128a将式（9）代入式（7）得E nohead = n × E circuit+ n × ε amp128×α=（9）其中：ε amp为信号放大器的放大倍数；E circuit为发射或接收电路所消耗掉的能量；d 为传感器节点之间的距离，当两个传感器n（E circuit+ ε amfπL2128a）（10）节点间的距离不大，α = 2 时，称之为自由空间模式，此时放大那么整个网络的能量消耗为倍数为ε amf。