LEACH算法的改进

LEACH协议的改进算法
夏北浩
（湖南大学信息科学与工程学院长沙410082）
摘要：首先介绍了LEACH协议的工作原理，性能分析以及不足。

之后介绍了LEACH的改进算法。

关键词：无线传感器网络,LEACH协议,改进算法,能量消耗
Improved algorithm of LEACH
Xia Beihao
(The College of Information Science and Engineering, Hunan University 410082) Abstract: This paper firstly introduce the content of the working principle of LEACH , the analysis of performance and discourages,following the introduction of the improved algorithm LEACH .
Key: wireless sensor networks, LEACH protocol,Improved Algorithm,Energy consumption
1 引言
近年来，由于无线技术、计算机技术与传感器技术的迅猛发展和快速融合，无线传感器网络应运而生。

无线传感器网络技术作为一种新型网络技术受到研究者的普遍重视和广泛研究。

但传感器网络也有一些固定的缺点：能量利用率低、生存周期短、抗干扰能力差。

通过良好的算法不仅可以减少传感器节点的能耗，还可以降低通信干扰，提高mac协议和路由协议的效率。

因此，提出一个高效稳定合理的算法便成为迫切需要解决的问题。

2 LEACH协议的介绍
2.1 LEACH协议
LEACH是WSN中第一个基于分簇的路由算法，它将网络中的节点分为簇头节点和簇内节点。

由于簇头节点需要协调簇内节点的工作，负责数据的融合和转发，能量消耗相对较大，所以LEACH采用周期性地随机选择簇头节点以均衡网络中节点能量消耗。

从而达到延长网络生命周期目的。

LEACH协议以“轮”作为运作周期，每一轮分成两个阶段：建立阶段和稳定传输阶段，为了节省频繁选择簇
头带来的能量开销，数据的稳定阶段的持续时间要长于建立阶段的时间。

在每轮的建立阶段，所有节点用CSMA 的MAC 协议广播“短消息”通信，自组织成簇，每个簇选取一个节点作为簇头节点。

簇形成之后，簇头节点负责为簇内节点建立一个TDMA 时隙表。

簇建立完成后，簇内节点根据簇内TDMA 方案将每帧采集的数据发送给簇头节点，簇头节点对接收到的数据经过过滤冗余数据融合处理后传送给基站。

2.1.1 簇建立阶段
首先每个节点首先每个节点产生0．1之间的一个随机数，如果这个数小于阈值)(n T ，则向所有节点广播自身成为当前轮的簇头信息。

阈值)(n T 计算方法如下：
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∈-=其他
0)1mod (1)(G n p r p p n T 其中，P 为预设的簇头节点在所有传感节点中所占的概率，r 是当前轮数，G 是在前1／轮中尚未成为簇头节点的节点集合。

从阈值)(n T 的计算公式中可以看出，在每轮循环中，如果当前节点已担任过簇头，则把)(n T 设为0，表示该节点一定不会再次当选。

对于尚未当选过的节点，则以概率担任簇头，式中使每个节点在一定轮数内只成为一次簇头节点。

当r=0时，由式得)(n T =P ，即首轮每个节点成为簇头节点的概率为p ；随着轮数的增加，阐值T(n)也随之增大，剩余节点当选簇头的概率将会逐渐增大。

当1/1-=p r 时，即第p /1轮时，)(n T =l ，表示前(1/1-p )轮尚未当选过簇头节点此轮必定当选。

2.1.2 稳定传输阶段
若网络中簇已经形成，并且簇头节点已经生成TDMA 时隙表，就进入数据的稳定传输阶段。

假设传感器节点有连续数据需要发送，成员节点根据簇内TDMA 机制，在属
于自己的时隙里，将每帧采集的数据发送给自己的簇头节点。

若属于自己的时隙尚未到来，则成员节点可以关闭收发器以节省能耗。

但在整个传输阶段的过程中，簇头节点的接收器必须一直处于工作状态，用于接收来自不同成员节点的数据。

在一轮的数据传输完成后，簇头节点将对接收到的数据进行融合处理，压缩成一个新的复合信号发送到基站。

持续一段时间后，开始新的一轮，整个网络进入下一轮运作周期。

在网络处于正常工作状态时，一般有多个簇同时工作，簇与簇之间难免会相互受到影响。

2.1.3 LEACH协议性能的分析
LEACH动态随机选取簇头节点，由不同的节点以概率当选簇头节点，将消耗能量较多的融合、转发任务轮流地分配给网络中的节点，有效避免了某些节点能量过快耗尽，能够较好地均衡网络负载，提高整体网络的性能；采用分层结构，节点不需要储存大量的路由信息，也不需要很复杂的计算功能，路由信息的储存以及路径的选择简单明了，非常适用于结构简单的传感器网络；簇头节点对接收的数据也进行压缩融合处理，大大减少了网络原始数据传输通信量。

因此，LEACH 在性能上要大大优于直接通信协议和静态簇首协议。

研究表明：LEACH协议比平面直接通信协议网络寿命(首节点能量耗尽时间)延长了约8倍，比分簇路由算法中固定簇首协议网络寿命延长了约10倍。

但是，LEACH算法周期性随机选取簇头节点也会带来一些问题可能会出现部分簇头节点相距基站较远，若此时簇头节点与基站通信仍然采用单跳路径模式，则会消耗较多能量，而且扩展性较差，不适合较大规模的网络；网络中簇头节点的位置经常会发生变化，可能某些处于网络边缘的节点不在任何簇首节点的通信范围之内，被网络所分离；当节点的通信距离有限时，还可能出现簇头节点不能与基站顺利通信等等。

2.1.4 LEACH协议的不足
在LEACH 算法中,每一轮循环都要重新构造簇,而构造簇的能量开销比较大。

其次, 远离汇聚节点的簇头节点可能会由于长距离发送数据而过早耗尽自身能量, 造成网络分割。

另外,LEACH算法没有考虑簇头节点当前的能量状况,如果能量很低的节点当选为簇头节点,那么将会加速该节点的死亡,影响整个网络的生命周期。

3 LEACH协议的改进算法
3.1 改进算法的介绍
这种算法主要是保证簇群的稳定，每次簇首的选择都在同一个簇群中，即在首次簇群建立完成后保持簇群的稳定。

免大量广播信息耗费的能量，减少成簇复杂性。

3.1.1 簇首的选择
在选择簇首时，要充分考虑到节点的当前能量和节点的剩余能量。

通过改变阈值T （n ），让剩余能量多的节点额能充当簇首，保证各点平均分担通信任务。

⎪⎩⎪⎨⎧∈-=其他情况0)]/mod([)(int G n E E k N r k N
k n T current
其中，Ecurrent 是节点的当前能量，Eint 是节点的初始能量。

从公式看，当前能量大的节点有更大的概率成为簇首节点，随着节点充当簇首的次数增加，节点成为簇首的概率变小。

3.1.2 簇首的个数选择
文献[2]可知，簇首所占百分比为5%时，整个网络的能耗最优。

每个簇内成员最大数目为。

），（]1,0[a a 119max ∈+=N 我们假设簇内节点是分布均匀的（a=0.5），则N=30。

当簇内成员达到最大个数时，拒绝其他节点的加入。

3.1.3 保持簇群的稳定
簇内区域的划分在第一轮完成，一旦划分完毕，在整个网络生命周期内将不再变动，形成优化的簇类结构。

由于簇类已经固定。

在每一轮的初始化阶段（除
第一阶段）完成的工作只是簇首的选择，减少了每轮广播带来的能耗。

参考文献
[1]Tillett J. Rao R, Sahin F. . Cluster-head identification in ad hoc sensor networks using particle swarm optimization. In:Proceedings of the IEEE International Conference on PersonalWireless Communications, Singapore, 2002, 201～205
[2] 陈静,张晓敏.无线传感器网络簇头优化分簇算法及其性能仿真.计算机应用, 2006,26(12): 2787-2792
[3]C.E. Price ， K.M. Sivalingam ， J.-C ， Chen ， P. Agrawal. Power-aware scheduling algorithms for wireless networks. Proc. Intl. Conference on Intelligence Computing and VLSI ， Kalyani ，India ， 2001
[4]廖明华,张华,王东.基于LEACH 协议的簇头选举改进算法.计算机工程,2011,7（37）:112-114。