陈新芝 沈洪远 王兴 唐黄正

摘  要：针对现有分簇算法的不足，文章提出基于节点剩余能量和节点与基站距离优化簇头选择的分簇路由协议LEACH-MCE。仿真结果表明，与经典的LEACH算法相比，该算法可有效避免分簇路由协议中易出现的盲节点现象，大大降低网络能量消耗，能有效延长大规模无线传感器网络的生命周期。

关键词：无线传感器网络;分簇路由协议;簇头优化算法

引言

无线传感器网络是由众多微小、电能有限的传感器节点组成的多跳自组织的网络系统，其节点按结构和功能可分为感应节点、汇聚节点、基站等部分[1]。无线传感器节点 能够将感应区域内的环境信息进行感知、采集和处理，并通过自组多跳的方式传送到需求终端，由于传感节点价格低廉，大量节点组成的无线网络已经广泛应用于农业和军事领域[2]。

1 无线传感器网络分簇路由协议

无线传感器网络必须扩展性强、生存周期长、能耗尽量低。采用分簇方法的网络路由协议可以很好地达到这些要求。在分簇的网络中，传感节点采集到的数据在簇内进行短距离通信、融合后再传送给数据处理中心，此方式下与直接传送给数据中心处理相比能耗大大降低。分簇路由协议包括簇头选举、簇类划分和数据稳定传输等阶段，分簇过程中，网络进行分簇，每个簇由一个簇头和多个簇内节点组成。

低功耗自适应分簇层次方法（Low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH）[3]是经典的无线传感器网络分簇路由协议，其采用随机轮选簇头的方法均衡网络能耗，过程包括簇建立阶段和数据稳定传送阶段。文献[4]为减少数据传递次数提出了软阈值和硬阈值的策略。文章同时考虑节点剩余能量和节点与基站距离，提出一种新的簇头选择策略。

2 改进簇头选择策略无线传感器网络路由算法

无线电能量模型中，距离为d，每传送L位的数据所需能量为：

（1）

接收数据所需能量为：

ERx（l，d）=l·Eelec            （2）

由以上公式可知，通信所需能量与距离平方或四次方成正比，簇内各节点能耗不均衡，离簇头较远的节点能量会过早消耗完，网络此时易形成空洞。簇头负责簇内各节点信息的采集、数据融合，并传送簇内信息给基站，能耗过大，也易提早死亡。因此，选择簇头节点时要充分考虑簇内节点的能量及位置分布情况，选择剩余能量多、更靠近基站的节点，使之延缓节点死亡速率，延长网络生存时间。由以上分析对簇头选择进行优化。

LEACH协议中，各节点初始化时赋给一个0到1之间的随机值，簇头基于随机机制进行选择。其选择机制如下：

（3）

其中，p为簇头数量选择比重，r为当前运行轮数，T（n）为节点n当选簇头的概率，G为过去1/p 轮中未当选过簇头的节点。当节点赋给的随机值小于T（n）时，节点当选为簇头。

文章考虑节点剩余能量与当前网络平均剩余能量的比重、节点与基站间的距离这两个因素，改进簇头选择机制为：

（4）

其中，E（n）为节点n当前剩余能量，ErAverage为第r轮网络平均剩余能量，dmax为节点距离基站的最大距离，dmin为节点距离基站的最小距离，dtoBS为节点n距离基站的距离，η为选择因子，表明当节点n剩余能量大于网络平均能量或距离基站较近时，其成为簇头概率较大。

3 仿真结果

无线传感器网络由100个随机分布在100×100矩形中的节点组成，基站坐标为（50，50）。文章采用MATLAB进行仿真，利用文献[4]的无线电系统能量模型计算路由协议的能量损耗。无线传感器网络模型的主要参数为：各节点初始能量为0.5J;所有节点以固定的频率采集发送数据，且数据包的大小为4000bit。

采用改进簇头选择策略的分簇路由协议的节点分布图如图1所示，初始化时节点随机分布，经过运行1500轮后，位于感测区域四周的节点几乎没有存活，唯有区域中心基站附近还有节点。可知，节点能耗是均衡消耗的。

将文章提出的优化分簇路由协议与LEACH协议及TEEN协议进行比较，并使用如下的性能评价指标：网络生存节点数，即仿真开始到最后达到最大运行轮数存活的节点数。

图2 反映了三种协议的网络生存节点数，可以看出，文章提出的优化分簇协议与其他两种协议相比网络生存节点数存活更多。这是因为LEACH和TEEN运行一段时间后，网络内节点的剩余能量会不均衡，而文章提出的算法能够均衡簇内节点的能量损耗，避免了节点能量过早耗尽，从而使节点生存更久。

4 结束语

在无线传感器网络中，路由协议的效率决定了网络的整体性能，因此无线传感器网络路由协议设计十分重要。文章提出了一种改进簇头选择策略的分簇路由协议，从节点剩余能量和节点与基站间距离考虑，对簇头当选概率进行改进。从仿真结果可以得出，该算法改善了一般分簇路由协议中节点剩余能量不均衡的问题，大大降低了网络能量消耗，有效地提高了大规模无线传感器网络的生存时间。

参考文献

[1]向敏.无线传感器网络节点数据管理与能耗研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[2]闫效莺，程国建，孙涛.一种能耗均衡的WSN分簇路由算法[J].计算机工程，2012，38（14）：79-81.

[3]HEINZELMAN W， CHANDRAKASAN A， BALAKRISHNAN H. Energy-efficie-nt Communication Protocol for Wireless Sensor Netwworks. IEEE Proc of the Hawaii Int Conf System Sciences[C]. Washington：IEEE Computer Society， 2000：175-187.

[4]MANJESHWA RA，AGRAWAL D.Tee-n：A Protocol for Enhanced Ef-ficiency in Wireless Sensor Networks.Proc of the 1st

Int Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks

and Mobile Computing[C]. New York：ACM Press，2001：304-309.