基于LEACH的无线传感器网络分簇路由算法

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一种基于LEACH协议的分簇路由算法

ｃｎｐｏｏｇｔｅｎｔｒｉｉ．ＢａｅｎｔｅｒｓａｃｆｔｅＬＥＡＣＨｒｔｃｌｍｐｏｅｅｃｕｔｒｈａｅｅｔｎａｄｔｅｃｍｍｕｉａａｒｌｎｅｗｏｋｌ￣ｔｈｍｅｓｄｏｈｅｅｒｈｏｈｐｏｏｏ，ｉｒｖｓｔｌｓｅｅｄｓｌｃｏｏｈｉｎｈｎｃ —
中图分类号：Ｐ０．Ｔ３１６文献标识码：Ａ文章编号：７ —２Ｘ２１）７０１— ３１３６９（０１０ — ０３０６
ＡｕｔｒｎｕｉｇＡｌｏｉｈＢａｅｎＬＥＡＣＨＣｌｓｅｉｇＲｏｔｎｇｒｔｍｓｄｏ
ｉｃａｓｂｔｅｌｓｅｅｄａｄｓｎｏｂｌｎｅｅｅｇｏｓｍｐｉｆｗｉｅｓｓｎｏｅｗｏｋｎｒｌｎｅｗｏｋｌ — ｆｎｍｅｈｉｍｅｗｅｎｃｕｔｒｈａｎｉｋｔａａｃｎｒｙｃｎｕｔｎｏｒｌｓｅｓｒｎｔｒｓａｄｐｏｏｇｔｅｎｔｒｉｅｏｎｏｅｈｆｉｔ．ｓｌｆｔｅｓｕａｏｘｅｉｎｓｎａａｈｗａｅｎｔｒｉｅｃｃｅａｄｎｔｒｎｒｙｃｎｕｔｏｆｔｅｍｏｉｍｅＲｅｕｔｏｉｌｔｎｅｐｒｍｅｔｕｉｇＭ Ⅱ ｂｓｏｔｔｔｅｗｏｋｌ — ｙｌｅｗｏｋｅｅｇｏｓｍｐｎｏｄ — ｓｈｍｉｈｈｆｎｉｈｌＥＡＣＨｇｒｔｍａｅｂｅｒａｌｍｐｖｄｔａｅＬＥＡＣＨｌｏｔｍ．ｆｄＬｅｌｉａｏｈｈｖｅｎｇｅｔｉｒｅｎｔｙｏｈｈａｇｒｈｉＫｅｒｓ：ｒｌｓｎｏｅｗｏｋｓｏｕｎｒｔｃｌ；Ｌｙｗｏｄｗｉｅｓｓｓｒｎｔｒ；ｒｔｇｐｏｏｏｓＥＡＣＨ；ｎｔｒｎｒｙｃｎｕｔｎｅｅｉｅｗｏｋｅｅｇｏｓｍｐｏｉ

基于LEACH路由算法的研究与改进

Ｖｏ．，．６，ｕｅ２０Ｐ４３ — ５７１Ｎｏ１Ｊｎ０１，Ｐ．５５４３６
基于ＬＡＣＥＨ路由算法的研院．海２０３）上上０１５
‘
摘要：绍了无线传感器网络中ＬＡＨ路由算法的特性，针对该算法在选取簇头节点过程中的不足之处该文提出了一种改进方介ＥＣ并
Ｋｅｙｗｏｒ：ｗｉｅｅｓｓｎｓｒｎｅｏｋｓＥＡＣＨｌｒｔｄｓｒｌｓｅｏｔｒ；Ｌｗａｇｏｈｍ；ｃｕｔｒ— ａｓｉｌｓｅ —ｈｅｄ
无线传感器网络能实时监测、知、集和处理各种监测对象的信息，军事、境监测和工业生产等方面具有十分广阔的应感采在环
案，通过为每一个节点分配标志值的方法，免了无谓的能量损失从而延长了传感器节点的生存寿命。并且在原有算法随机分簇方避
法的基础上，出了基于平面直角坐标系的分簇思想，得簇头节点分布更均匀，而均衡了整个无线网络的能量消耗。提使从关键词：Ｓ；ＥＨ算法；头：层路由算法ＷＮＬＡＣ簇分
Ａｂｓｒｔｔａｃ：Ｄｅｃｂｅｈｅｗｉｅｅｓｓｎｓｒｎｔｏｋ，ＬＥＡＣＨｏｉｌｒｔｈａａｔｒｓｃｏｈｅａｇｒｔｅｅｔｏｐｒｃｓｎｔｃｕｓｓｒｓｔｒｌｓｅｏｅｗｒｉｒｕｔｎｇａｇｏｈｍｃｒｃｅｔｓｆｒｔｏｈｍｓｌｃｉｎｏｅｓｉｈｅｌ — ｉｉｉｌｉｔｒｅ —ｈｅｄｓｔｏｉｇｆｔｉｐｅ，ａｉｐｏｅｐｒｒｍ，ｔｏｈｈｅａｌａｉｆｍａｋｓｆｒｅｃｎｅｉｔｅｖａｕｅｏｅｍｅｈ，ａｓｈｏｒｃｍｎｓｏｈｓｐａｒｎｍｒｖｄｏｇａｈｒｕｇｔｌｏｃｔｏｎｏｒａｈｏｄｎｌｆｔｔｏｄｏｈｈａｏｉｎｖｄｉｇｕｎｎｃｓａｙｅｒｏｓｏｅｏｅｅｓｒｎｅｇｙｌｓｆｓｎｓｒｎｏｄｓａｏｏｈｕｒｖｌｏｆｌｅｅｎｄｐｒｌｎｇｔｅｓｖｉａ．Ａｎｄｉｅｏｒｇｎａｇｏｔｆｎｔｉｉｌａｒｈｍｅｈｏｅｅｒｎｄｈｌｉｍｔｄｓｗｒａｏｍｌ — ｙｄｉｖｉｅｉｏｃｕｔｒｓｄｏｎｔａｏｏｄｉｔｙｓｅｓｐｏｐｏｅｓｄｏｈｅｓｄｄｎｔｌｓｅｓｂａｅｈｅｐｌｎｅｃｒｎａｅｓｔｍｉｒｓｄｂａｅｎｔｕｂ—ｄｕｔｒａｄｍｅｔｌｔｈｅｃｕｔｒｈａｄｅｒｉ— ｓｅｎｎａｉｙ，ｔｌｓｅｅｄｎｏｓａｅｄｓｔｉｔｄｍｏｒｖｅｙ，ｔｌｎｃｎｇｔｅｅｉｅｗｉｅｅｓｎｅｗｏｒｎｅｇｏｎｕｐｔｏｒｂｕｅｅｅｎｌｈｕｓｂａａｉｈｎｔｒｒｌｓｔｋｅｒｃｓｍｉｎ．ｙ

基于LEACH路由的分簇算法研究

• 73•作为无线传感器网络的重要技术，WSN 路由协议是学术研究的热门话题。

LEACH 协议作为典型的的分簇算法它有很多的优点，但也有不足之处。

本文首先分析了原始的LEACH 算法。

缺点是没有考虑节点的剩余能量和位置。

在本文中，改进了缺陷，并将剩余的能量添加到考虑标准中，并且还增加了簇头之间的距离以避免形成热区域和簇头分布太密集。

通过Matlab 仿真，验证了改进的LEACH 算法可以使簇头分布更均匀，更能节省能耗，提高了网络生命周期。

1 LEACH协议LEACH （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy ）全称是“低能耗自适应分簇型路由算法”，它是一种基于LEACH 协议的算法，因此被称作LEACH 算法，它作为层次型分簇路由算法，是无线传感器中很典型的代表（柳丽娜，无线传感器网络中LEACH 算法的研究和改进：吉林大学，2012）。

第一步，节点的初始化；第二步，选出网络中的簇头节点；第三步，正常部分成为簇头之后的初始化（基站的初始化，公共传感器节点的能量等），属于网络的建立阶段，并且选择簇头是在随机过程中生成的。

然后网络稳定来进行数据传输。

这属于一个循环，然后来回循环直到能量耗尽。

其中在选择簇头的过程中，首先会产生0到1的随机数值，如果产生的此数值比T(n)大，那么该节点就被选为簇首，T(n)就作为能否当选为簇头的标准。

T(n)的表达式为：（1）其中：P 是选举的簇头比例；r 是此时正在进行的轮数；G 是此时还没当选簇头的节点集合。

2 LEACH协议不足在分析了经典的LEACH 分簇算法过程中，虽然优点很多，但也存在一些缺点（唐甲东，蔡明，无线传感器网络路由协议研究-LEACH 路由协议的改进：计算机工程，2013）：（1）簇头很容易产生在一些能量很低的节点上，从而会大大降低网络的寿命。

（2）簇头节点分布不均匀，有些过于集中，因此能量不能达到均衡状态。

一种基于LEACH的新型WSN路由算法

维普资讯 http://www.Fra 第２５卷第５期
２００８年５月
机
电
工
程
Ｖｏ．５１２ＮＯ５．Ｍａ０ｙ２０８
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡＧＡＺＩＭＮＥ
一
种基于ＬＡＨ的新型ＷＳＥＣＮ路由算法
均匀簇，靠近Ｓｎ即ｉｋ节点的簇的半径较大，而远离Ｓｎｉｋ节点的簇的半径较小；首选择的依据是节点的簇
剩余能量。仿真实验证明，改进后的算法具有更高的能量使用效率。关键词：线传感网络；由算法；ＥＣ无路ＬＡＨ中图分类号：Ｐ９Ｔ３文献标识码：Ａ文章编号：０１４５（０８０ — １ — ４１０ — ５１２０）５００００
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＬＥＡＣｉｏｅｒｙａａｉｅｃｕｓｅｉｇｈｅａｃｙａｇｏｉｈｍｏｒｌｓｅｓｒｎｔｒｓ，ｉｃｎｐｏｏｇｔｅｌｅｉＨｓａｌｗｎｅｇｄｐｔｌｔｒｎｉｒｒｈｌｒｔｖｆｒｗｉｅｅｓｓｎｏｅｗｏｋｔａｒｌｎｈｉｔｍｅｆｏｈｅｎｔｒｓｂｉｅｎｐｒｅｔＢｕｔｔｅｃｕｔｒａｅｂｌｆｅｌｓｅ — ａａｅｓｌｃｅｎＥＡＣＨａｇｒｔｍ，Ｓｌｓｅ — ｆｔｅｗｏｋｙｆｆｅｅｃｎ．ｔ，ｈｌｓｅｓｒｕｉｔａｒｃｕｔｒｈｅｄｓｒｅｅｔｄｉＬｔｌｏｉｈＯｃｕｔｒｈａｓｓｅｒｎｅｇｔｅｉｄｉｓａｌｓｆｃｕｔｒｎｄｓｌｃｔｎｏｌｔｒｈａｓｎｅｄｃｓｈｘｒｘｅｎｅｔｅｄｓｒ— ｅｄｐｎｄｍｏｅｅｒｙ；ｈｅｐｒｏｃｅｔｂｉｈｏｌｓｅｓａｅｅｉｆｃｕｓｅ— ｅｄｅｏｔｔｅｅｔａｅｐｓｓ：ｈｉｔｉｏｂｔｏｆｔｌｓｅｓｉｎｒａｏｎｂｅｂｃｕｅｏｈｅｒｄｍｈｏｃｆｃｕｔｒｈａｓＴｈｅｉｕｉｎｏｈｅｃｕｔｒｓｕｅｓａｌｅａｓｆｔａｎｏｃｉｅｏｌｓｅ — ｅｄ．ｍｐｒｖｅｌｏｉｈｏｄａｇｒｔｍｕｅｈｅｓａｉｎｙｓｄｔｔｔｏａｒｃｕｔｒｈｈｐｆｔｅｃｕｓｅｓｕｎｑｌｔｅｒｄｕｆｔｕｔｒｔｔｗａａｗａｒｍｈｉｏｓｓｌｅｈｎｔｅｌｓｅ；ｔｅｓａｅｏｈｌｔｒｗａｅｕａ，ｈａｉｓｏｈｅｃｌｓｅｈａｓｆｒａｙｆｏｔｅｓｎｋｎｄｅｗａｍａｌｒｔａｈｒｄｉｆｔｌｔｒｔａｓｃｏｅｔｈｉｏａｕｓｏｈｅｃｕｓｅｈｔｗａｌｓｏｔｅｓｎｋｎｄｅ；ｔｌｓｅ — ｅｄｒｅｅｔｄａｃｒｉｇｔｈｅｐｒｓｎｎｅｇｆｔｅｎｄｅ．ｈｅｃｕｔｒｈａｓｗｅｅｓｌｃｅｃｏｄｎｏｔｅｅｔｅｒｙｏｈｏｓＴｈｅａｇｒｔｅｎｗｌｏｉｈｍａｔｌｚｈｎｅｇｆｔｅｓｒｎｄｅｎｒｌｎｇｔｅｌｅｉｆｔｅｗｈｌｅｗｏｋｉｈｏＳｉｕａｉｎｃｎｕｉｉｅｔｅｅｒｙｏｈｅｓｎｏｏｓａｄｐｏｏｈｉｔｍｅｏｈｏｅｎｔｒｎｔｅｒｆｙｍｌｔｏｒｓｌｓｓｏｔｔｔｅｉｅｕｔｈｗｈａ，ｈｍｐｒｖｄａｇｒｔｍｈｓｉｈｅｆｉｉｎｙｏｎｒｙｕｉｉａｉｎ．ｏｅｌｏｉｈａａｈｇｒｅｃｅｃｆｅｅｇｔｌｚｔｏ

一种基于无线传感器网络分簇路由的改进算法

文章编号：ｉ０００ — ５８１１（２０１３）０２ — ０１３２ — ０４
一
种基于无线传感器网络分簇路由的改进算法
郭文强，周强，侯勇严，王阿娟
（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安７１００２１）
摘要：为了提高无线传感器网络能量的有效性，延长网络生命周期，在分析了无线传感器网络路由协议中的ＬＥＡＣＨ算法和ＳＥＰ算法机理的基础上，提出了改进型ＳＥＰ算法．改进型ＳＥＰ算法能够在能量异构的网络模式下，通过改进选举簇头机制，提高了剩余能量较高的节点当选为簇头的概率，增加了选举簇头节点的合理性，有效地均衡了网络中的节点能耗，延长了网络的生命周期．实验结果表明：改进后的算法与ＬＥＡＣＨ算法和传统的ＳＥＰ算法相比，在
ｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ｛Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓ
第３１卷
第２期
陕西科技大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

一种新的基于LEACH的WSN路由算法

ｈａｓｗｅｅａｏｄｄ，ｗｉｈｐｏｉｅｈｎｒｏｄｓｐｏｏｔｎｉｆｓｎｏｏｅｎｔｅｓａｙｓａｅｌｓｅ — ｅｄｒｖｉｅｈｃｒｖｄｓｔｅｅｅｇｌａ ’ ｒｐｒｉａｔｏｅｓｒｎｄ．Ｉｈｔｄｔｔ，ｃｕｔｒｙｏｌｙｅｈａｅｄｉａａｔｅｓｎｏｅｂｎｏｒｍｕｔ —ｈｐｅｄｓｎｓｄｔｔｉｋｎｄｙｏｅｈｐｏｆｉｏ．ＣｍｐｒｄｗｉｌｓｉａｌｏｔｍＥＨ，ｓｍｕａｉｎｔｏｈｏａｅｔｃａｓｃｌｇｒｈＬＡＣｈａｉｉｌｔｏｒｓｌｈｗａｈｍｐｏｅＥＨｇｒｈｈｓｂｔｒｅｅｇａａｃｎｃｉｖｓａｂｉｕｍｐｏｅｎｎｅｕｔｓｏｔｔｔｅｉｒｖｄＬＡＣａｏｔｍａｅｔｎｒｂｌｎｅａｄａｈｅｅｎｏｖｏｓｉｒｖｍｅｔｏｓｈｌｉｅｙ
定工作阶段，节点间的数据传输采用单跳和多跳相结合的通信方式，从而降低网络能耗。仿真结果表明，与传统的ＬＡＨＥＣ
算法相比，改进的ＬＡＨ算法能量均衡性更好，ＥＣ并显著地延长了网络的存活时间。
关键词：无线传感器网络；由算法；路分簇；生存周期
ｓｖｎｒｈｒｃｓｆｏｇｄｓａｃａａｔａｓｓｉｎ，Ｓｌｉｒｖｄｒｕｉｇｐｏｏｏｓｒｐｓｄｉｈｓｐ－ｉｅｅｅｇｉｔｅｐｏｅｓｏｎｉｔｎｅｄｔｒｎｍｉｏｙｎｌｓＯａｌｍｐｏｅｏｔｒｔｃｌｎｗａｏｏｅｎｔｉａｐ

无线传感器网络分簇路由协议研究

无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络是一种由许多分布式传感器节点组成的网络，这些节点通过无线通信相互连接，可以实现对环境的监测和数据采集。

在无线传感器网络中，由于节点数量众多、能量有限、通信带宽受限等特点，网络中的传感器节点之间需要进行有效的组织和管理，以实现高效的数据传输和节能。

分簇路由协议是无线传感器网络中的一种重要的路由协议，它将传感器节点分成不同的簇（cluster），每个簇都有一个簇头节点（cluster head），负责进行数据的聚集和传输，从而减少网络中节点之间的通信量，延长网络的生命周期。

本文将围绕无线传感器网络分簇路由协议展开研究，探讨目前常用的分簇路由协议的特点、优缺点以及未来的发展方向。

一、分簇路由协议的基本原理在无线传感器网络中，节点之间通信的距离有限，而且节点的能量有限，为了延长网络的寿命并提高网络的传输效率，需要将节点进行分组管理。

分簇路由协议的基本原理是将网络中的所有传感器节点分成不同的簇，每个簇由一个簇头节点来管理，簇头节点负责接收本簇内所有传感器节点采集的数据并进行处理，然后将处理后的数据传输给下一级的节点，直到数据传输到基站或者数据融合节点。

分簇路由协议通常包括两个阶段：簇首选举阶段和数据传输阶段。

在簇首选举阶段，网络中的节点根据一定的规则选择自己所属的簇，并选举产生簇头节点，簇头节点的选择通常考虑节点能量、距离等因素。

在数据传输阶段，簇头节点负责接收和处理本簇内的数据，并将处理后的数据传输给下一级的节点，直到数据传输到基站或者数据融合节点。

1. LEACH协议LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的分簇路由协议，它采用轮换簇首节点的方式来实现能量的均衡消耗。

LEACH协议将网络中的节点随机地分为若干个簇，并由每个簇中的节点根据一定的概率选择自己所属的簇，并选举产生簇头节点。

簇头节点负责接收和聚集本簇内的数据，并将数据传输给基站。

leach协议簇头计算公式的详细计算过程

leach协议簇头计算公式的详细计算过程Leach 协议是一种用于无线传感器网络的分簇路由协议，其中簇头的选择是一个关键环节。

下面咱们就来详细聊聊 Leach 协议簇头计算公式的计算过程。

在 Leach 协议中，簇头的选择可不是随便定的。

它有一套自己的计算公式，这个公式的目的就是为了让网络中的节点能够相对公平、有效地承担起簇头的职责，从而优化整个网络的性能。

先来说说这个公式里涉及到的一些参数。

比如说，有节点成为簇头的概率 P，网络中节点的总数 N，还有已经轮数 r 等等。

具体的计算公式是这样的：T(n) = P / (1 - P * (r mod (1 / P))) ，当 n ∈ G这里面，T(n) 表示节点 n 成为簇头的阈值，G 是在这一轮还没有被选为簇头的节点集合。

那这个公式到底咋用呢？咱来举个例子哈。

比如说一个无线传感器网络里，一共有 100 个节点，设定节点成为簇头的概率 P 是 0.1，现在已经进行到第 5 轮了。

那咱们来算一算节点 20 这一轮成为簇头的可能性。

首先算 (r mod (1 / P)) ，也就是 5 mod （1 / 0.1） = 5 mod 10 = 5 。

然后算 1 - P * (r mod (1 / P)) ，也就是 1 - 0.1 * 5 = 0.5 。

最后算 T(20) ，也就是 0.1 / 0.5 = 0.2 。

如果随机生成的一个 0 到 1 之间的数小于 0.2，那节点 20 就在这一轮被选为簇头啦。

在实际的应用中，这个公式可不是光算算就行的。

比如说，网络中的节点分布不均匀，有的地方节点密集，有的地方稀疏。

在节点密集的区域，如果按照这个公式简单计算，可能会导致簇头过于集中，这样就会加重某些区域的通信负担，影响整个网络的性能。

我之前就碰到过这样一个情况。

在一个监测森林环境的无线传感器网络中，由于树木分布的影响，有些区域的节点比较集中。

按照最初的 Leach 协议簇头计算公式选择簇头，结果就发现那些节点密集的区域能耗特别快，数据传输也不太稳定。

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总第246期2010年第4期计算机与数字工程Computer&Digital EngineeringVol.38No.449基于L EACH的无线传感器网络分簇路由算法3白凤娥　牟汇慧　姜晓荣(太原理工大学计算机与软件学院　太原　030024)摘　要　路由协议是无线传感器网络的重要组成部分之一,而路由算法在路由协议中起着至关重要的作用。

文章在L EACH算法基础上,提出一种改进的路由算法,改进后的算法采用相对固定的成簇方式,每隔一轮重新构建簇。

利用图论中的prim算法,选择每轮中P ed最大的簇头作为根节点,在簇头节点之间构造树形路由,簇头之间以多跳方式将收集到的数据发送到根节点,然后通过根节点将整个网络收集到的数据发送到基站。

仿真结果表明,与L EACH算法相比,改进算法降低了能耗,有效延长了网络生存周期。

关键词　无线传感器网络;L EACH算法;分簇;生命周期中图分类号　TP393L EACH2Based Clustering Routing Algorithm for Wireless Sensor NetworksBai Fe ngπe　M ou Huihui　J ia ng Xiaorong(College of Computer and Software,Taiyuan University of Technology,Taiyuan　030024)Abs t rac t　Routing protocol is an important part of wireless sensor network and the routing algorithm plays a crucial role in the routing protocol.Based on L EACH algorithm,this paper presents a novel clustering algorithm in which clusters are relatively fixed and the nodes re2organize themselves into new clusters every other round.It utilizes the Prim algorithm in the graph theory to form tree routing among cluster2head nodes,and selects the cluster2head with the largest P ed as the root node.The cluster heads send data to the root node in a multi2hop manner and the root node then sends the gathered data by the whole network to the base station.Simulation results show that compared with L EACH,the improved algorithm can re2 duce the energy consumption and prolong the lifetime of the network.Ke y Words　wireless sensor network,L EACH algorithm,clustering,lifetimeClass Nu m ber　TP3931　引言无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是监视远程环境的有力工具之一,它的基本功能是收集并返回传感器节点所在监测区域的信息。

由于工作环境和自身构造的限制,传感器节点一般是电池供电,并且节点的更换和充电也较难实现。

因此,降低节点能耗,延长网络生命周期是无线传感器网络传输机制的一个主要研究目标[1]。

网络数据传输离不开路由协议,路由协议对网络的整体性能有重要影响,因此,作为无线传感器网络核心技术之一的路由协议一直是研究的热点。

路由算法在路由协议中起着至关重要的作用,无线传感器网络中的路由算法从网络逻辑结构角度可以分为平面路由和层次路由。

层次路由算法是无线传感器网络路由算法的研究重点,其中,L EAC H 算法[2～3]是比较具有代表性的层次型路由算法。

本文在L EAC H算法的基础上,介绍一种改进的路由算法,改进算法的成簇方式相对固定,减少了构造簇的能量消耗。

簇形成之后,在簇头间构造最小生成树,簇间通过多跳方式通信,降低了簇头节点之间长距离通信的能耗。

3收稿日期:2009年11月2日,修回日期:2009年12月5日作者简介:白凤娥,女,教授,硕士生导师,研究方向:计算机控制与嵌入式系统,无线传感器网络。

牟汇慧,女,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统与无线自组网络。

姜晓荣,女,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统与无线自组网络。

50　白凤娥等:基于L EACH的无线传感器网络分簇路由算法第38卷2　L EAC H算法2.1　L EAC H算法描述L EACH(Low2Energy Adaptive ClusteringHierarchy)算法是由M IT的Heinzelman等人提出的一种低功耗自适应分簇算法。

其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均匀分配到网络中的每个传感器节点,从而达到降低网络能耗,提高网络生存周期的目的。

L EACH在运行过程中不断地循环执行簇的重构。

算法操作使用了“轮”的概念,每一轮由初始化和稳定的工作两个阶段组成。

在初始化阶段,每个节点产生一个0～1之间的随机数,如果某个节点产生的随机数小于所设的阈值T(n),则该节点发布自己是簇头的消息,T(n)的计算公式设为:T(n)=p1-p3(r mod(1/p)),n∈G0,其它(1)其中,p是簇头占所有节点的百分比,即节点当选簇头的概率;r表示目前进行的轮数;G代表最近1/p轮中还没有当选过簇头的节点集合。

非簇头节点根据接收信号的强弱来选择加入到哪个簇,并通知相应的簇头。

在稳定阶段,簇内的节点通过TDMA方式与簇头进行通信,簇头节点接收簇内其它节点发送的数据,并将这些数据进行融合,然后发送给基站。

2.2　L EAC H算法的不足及其改进算法在L EACH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,L EAC H 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。

以L EACH算法的思想为基础,针对L EAC H 存在的不足,研究人员提出了很多的改进算法,例如L EACH2C(L EAC H2Cent ralized)[4],L EAC H2 EA(Energy Average)[5]等算法。

L EAC H2C算法是由基站基于整个网络信息集中挑选簇头,每个节点把自身地理位置和当前能量报告给基站,基站根据所有节点的报告信息计算出平均能量,低于平均能量的节点不能成为候选簇头,基站根据所有成员节点到簇头的距离平方和最小的原则,从剩余候选节点中选出合适数量和最优地理位置的簇头集合,最后由基站将簇头集合以及簇的结构广播出去。

基于L EAC H2C的思想,针对L EACH的不足,提出了可有效解决网络能耗不均衡问题,延长网络生命周期的L EAC H2EA(Energy Average)算法。

L EACH2EA算法的簇头选择综合考虑了节点的当前能量和每轮结束后的节点平均能量,比较适用于长时间运行且规模较大的网络。

3　改进的算法3.1　改进算法的基本思想本文的改进算法也按轮的机制运行,但是与L EACH不同的是,改进后的算法不必每一轮都重新构建簇。

改进算法运行到第N轮,当N为奇数时,新算法采用与L EAC H2EA相同的机制选择簇头,这样产生的簇头在新算法中称为活动簇头,活动簇头选定后,该活动簇头发布自己是簇头的消息,非簇头节点根据接收信号的强弱来选择加入哪个簇,并通知相应的活动簇头,完成簇的建立。

簇建立之后,簇内节点通过单跳通信方式直接向其簇头节点传送数据。

当N为偶数时,原来的簇固定不变。

如果此时活动簇头节点能量低于某一个门限值时,则在原簇内重新选择簇头节点,以簇内剩余能量最多的节点为新的簇头节点,这样产生的簇头在新算法中称为固定簇头。

为降低簇头(包括活动簇头和固定簇头)节点的通信代价,在簇头间构造树形路由,簇头间以多跳方式通信。

3.2　改进算法的描述3.2.1　簇的建立和簇内通信改进算法第N轮的开始,首先判断N是奇数还是偶数。

当N是奇数时,就需要重新构建簇,此时,采用与L EACH2EA相同的簇头选择机制。

活动簇头选择过程如下:每个节点产生一个0～1之间的随机数,如果这个数小于阈值T(n),则该节点向周围节点广播它是簇头的消息,参照L EAC H2 EA的阈值计算公式[6]T(n)可表示为:T(n)=p1-p3(r mod(1/p))3E n2currentE aver,n∈G0,其它(2)其中,p是簇头占所有节点的百分比,即节点当选簇头的概率;r代表目前进行的轮数;G表示最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合;E n2current表示节点的当前能量;E aver表示每一轮结束后节点的平均能量。

节点当选为活动簇头后,该活动簇头广播自己是簇头的消息,非簇头节点根据接收信号的强弱来2010年第4期计算机与数字工程51选择加入哪个簇,并通知相应的活动簇头,完成簇的建立。

活动簇头接收到所有的加入信息后,就产生一个TDMA定时信息表,给簇中每个非簇头成员节点分配传送数据的时间片,成员节点只能在其特定的时间片内与簇头节点进行通信。

算法执行首轮时,簇的建立与此种情况相同。

当N是偶数时,则原来的簇固定不变。

如果活动簇头节点能量低于某一个规定的门限值,则在原簇内重新选择簇头节点,以簇内剩余能量最多的节点为簇头节点,这样产生的簇头称为固定簇头。

固定簇头与簇内成员的通信方式和活动簇头一样。

当节点持续采集监测数据时,在其相应时间片,使用最小能量传给簇头节点。

节点不发送数据时,关闭节点以节约能量。

簇头节点必须保持其接收器一直打开,以接收簇内不同节点的数据,然后进行数据融合。

3.2.2　簇头间树形路由的构建与簇间通信假设要在n个城市之间建立通信联络网,则连通n个城市只需要n-1条线路。

如果用连通网的顶点来表示城市,边表示两城市之间的线路,赋予边的权值代表相应的代价,需要考虑如何在最节省经费的前提下建立这个通信网。