摘 要：針對無線傳感器網絡中LEACH協議的簇首選擇與簇間數據傳輸存在的問題，提出了一種改進的路由算法，該算法在簇首選舉時以節點剩余能量作為依據，采用了新的閾值公式，在數據傳輸時建立臨時路由表、構建簇間多跳路由。仿真結果表明：改進后的算法可有效地延長網絡內節點的存活時間，從而延長網絡的生存周期。
關鍵詞：無線傳感器網絡 簇首 數據傳輸 多跳路由
中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0023-02
無線傳感器網絡（WSNs）是由部署在監測區域內的大量傳感器節點構成的自組織系統，綜合了傳感器技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，主要通過各節點實時地監測與采集覆蓋區域內的各種數據信息，然后進行處理和傳輸[1]。WSNs最先應用于軍事與國防領域，隨著技術的發展與普及，逐漸應用于自然災害、智能家居、生物醫療與智慧居家養老等領域，市場發展前景較好。但是因傳感器節點一般采取電池供電，在能量方面具有一定的局限性。而節點的能耗主要產生于數據采集與傳輸，由平面路由到分簇路由，許多研究者對數據傳輸采用的路由協議在不斷地進行研究與改進[2-4]。該文在對經典路由協議LEACH[5]分析研究基礎上，針對其簇首節點選舉時未考慮剩余能量與簇首和基站通信采用的單跳路由問題，提出了基于能量和簇間多跳路由的改進算法，有效地均衡了節點能耗，延長了網絡生存周期。
1 LEACH協議分析
1.1 傳輸能耗模型
設定傳感器網絡數據傳輸時采用文獻[5]中的無線通信模型，節點發送與接收kbit數據所消耗的能量計算公式中，d是信號傳輸的距離，根據d值的大小決定信息傳輸時采用自由空間信道模型還是多徑衰減模型，當d值超過臨界值86.2時，能耗消耗比較大，因此在分簇路由協議中，在成簇與構建簇間路由時，盡量控制可通信節點之間的距離。
1.2 LEACH協議描述
LEACH協議是最具有代表性的分簇路由協議，后期許多路由協議都是在對它研究基礎上所產生的，如LEACH-C、LEACH-F。LEACH協議主要由簇首選舉、簇的產生、數據融合、數據傳輸等組成，并在其中引入了輪的概念，每輪包括簇的建立和數據傳輸兩個階段。
在LEACH協議中，簇首的選擇具有隨機性，具體步驟如下：監測區域中的傳感器節點，產生一個介于0、1之間的隨機數，如果該隨機數小于此輪所設定的閾值T（n），該節點就被選定為該輪的簇首，閾值越大，節點當選為簇首的概率越大，節點被選為簇首后，發送簇首廣播信息，非簇首節可能收到多個廣播信息，其根據信號強弱決定要加入的簇，并向該簇首發送請求，簇首收到請求后產生TDMA定時消息并通知簇內各節點，成簇后，簇首接收該簇內各節點發送的信息并進行數據融合后直接發送至基站。
1.3 存在問題
LEACH協議中，簇首選擇時沒有充分考慮到節點的剩余能量，其閾值產生公式雖然一定程度上保證了各節點成為簇首的概率相同，但是并不能保證成為簇首節點的當前能量。另外，各簇首節點與基站直接通信，如果簇首距離基站在通信范圍內，會采用自由空間通信模式，否則將采用多路徑衰減模式，導致該部分簇首節點能量消耗過快。因此，為了解決上述問題，該文在LEACH協議基礎上提出了新的改進算法，著重解決其在簇首選擇時的能量與簇首數據傳輸問題。
2 改進算法
該算法主要在簇首選舉與數據傳輸兩個方面進行了研究與改進，具體如下。
2.1 簇首選舉
每輪工作時，節點向簇首傳遞數據時攜帶節點當前剩余能量，當所有數據發送至基站后，由基站計算當前網絡的平均剩余能量Eave，并以廣播的形式發送給每個節點，在簇首選舉時，節點首先將自己的當前能量Eleft與Eave進行比較，如果大于等于Eave，則根據新的閾值計算公式判斷是否當選為簇首，如果Eleft小于Eave，則退出競爭。
同時，在產生閾值時引入網絡中的最優簇首個數，該數確定采用文獻[5]中的簇首計算公式，將此數應用到LEACH協議閾值計算公式中，可得到新的計算公式（1）。
（1）
2.2 簇間多跳路由
無線傳感器網絡中簇建立后，簇內節點將采集的數據傳輸給簇首，簇首經過數據融合后將數據發送至基站，在LEACH協議中無論距離遠近，簇首均直接與基站相連，導致部分節點能量消耗過快，因此簇間路由的創建至關重要。該算法采用簇首多跳路由傳輸的方法，即簇首選擇自己周圍合適的簇首作為中轉節點，從而減少能量的損耗，具體如下。
在成簇階段，簇首發送廣播信息，信息中攜帶自己當前剩余能量以及自己的坐標位置，非簇首節點根據此信息選擇合適的簇加入，而簇首節點則根據信息，選擇合適的簇首加入臨時路由表，路由表建立方法如下：
假設Si節點的坐標為（x1，y1），Sj節點的坐標為（x2，y2），基站BS的坐標為（x，y），數據由Si經Sj發送至BS，由式（1）可知，能耗與數據傳輸距離相關，即當
d=d2（Si，Sj）+ d2（Sj，BS） （2）
的值較小時，才能達到節能的目的，式（2）中，d2（Si，Sj）為Si到Sj的距離的平方。
同?r考慮到節點進行數據傳輸時所需要的能量較多，在選擇下一跳節點時除了相互間距離還需將節點的當前能量作為參考因素，因此在路由表中添加4個滿足條件的節點，進行數據傳輸時選擇Eleft/d值最大的節點作為中轉節點。
3 仿真說明與分析
為了將改進后的算法與已有算法進行比較，該文利用OMNET++進行仿真模擬，對網絡內同一時間的節點存活個數進行比較，驗證改進算法的性能。仿真環境：設定在一個200 m×200 m的區域內，有400個傳感器節點，節點在監測區域內隨機分布，基站BS的坐標預先設置（x=50，y=250）；節點初始能量相同，均為0.5J，數據包大小為4 000 bit。
改進后的算法在某一時間點節點存活數較多，且整體存活時間較長，原因在于節點在成簇時選擇距離較近的簇首加入，減少了非簇首節點的能耗，而在簇首選擇中轉節點時，綜合考慮了能量與距離因素，也減少了簇首節點的能耗，從而延長了整個網絡的生命周期。
4 結語
在無線傳感器網絡中，分簇路由協議占據著重要的地位，它的性能直接影響到整個網絡的工作效率與生存周期，因此，該文在對經典LEACH路由協議分析研究的基礎上，針對其能量與數據傳輸方面存在的問題，通過新的閾值公式改變原有的簇首選舉方法，結合節點當前剩余能量建立臨時路由表，構建簇首間數據傳輸的多跳路由，改進后的算法使簇首選舉更合理，數據傳輸更加有效。分析顯示，經過改進的算法在均衡網絡節點能耗與延長生命周期方面有了明顯的提高。
參考文獻
[1] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].清華大學出版社，2005.
[2] 李芳芳，王靖.一種基于LEACH協議的無線傳感器網絡路由算法[J].傳感技術學報，2012，25（10）：1445-1451.
[3] 陳曉娟，王卓，吳潔.一種基于LEACH的改進WSN路由算法[J].傳感技術學報，2013，26（1）：116-121.
[4] 嚴斌亨，陳任秋，劉軍.能量優化的無線傳感器網絡LEACH算法[J].傳感器與微系統，2016，35（7）：120-122.
[5] Heinzelman WB，Chandrakasan AP，Balakrishnan H.An Application Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1（4）：660-670.
