摘 要： 针对无线传感器网络的特点，在研究LEACH协议的基础上，提出了一种新的优化的分簇多跳算法。该算法使用能量因子修正了LEACH协议中的的阈值，产生簇头。再将选好的簇头以距离最短为原则生成一条基站到各簇头的链，采集的数据在簇头融合后按生成的链以多跳的方式提交给基站。MATLAB仿真结果显示，该协议能有效地延长网络的稳定期。
关键词： 无线传感器网络；LEACH协议；分簇协议；多跳网络
无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在监测区域内大量的廉价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的网络系统。目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络在军事和民用领域都有着非常广阔的应用前景[1]。但是这些传感器节点体积小，能量有限，不能更换电池，因此，将最大限度延长网络的生命周期作为一个路由协议的评价标准。从网络的拓扑角度分为平面路由协议和分层路由协议。对于大规模网络而言，分簇的层次路由协议相比于平面路由协议，其采用簇头节点的融合功能有效地减少了数据通信量，从而显著延长了整个网络的生命时间。LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[2]协议是一种典型的分簇层次路由协议。LEACH中簇头节点的选择是随机产生的，没有考虑到节点的剩余能量，另外从簇头到基站采用的是单跳的方式，当距离远时，能量消耗太快。本文基于以上两点对簇头进行了优化。
1 LEACH协议概述
1.1 LEACH算法
LEACH是Heinzelman等为WSN设计的，仿真表明，它与一般的平面多跳路由协议和静态分簇路由协议相比，无论是第一个节点死亡的轮数和最后一个节点死亡的轮数都提高了3倍[3]。LEACH的每轮分为簇的建立阶段和数据传输阶段两个部分。为节省能量，一般数据传输持续时间要大于建立时间。
1.1.1 簇的建立阶段
设某个时刻t，每个传感器节点在第r轮时从（0，1）之间选择一个随机数,如果选定的值小于某个阈值Kn(t)，这个节点就成为簇首节点，Ki（t）由式（1）计算得到。
表示节点总数，k为分簇数。在第1轮中每个节点成为簇头的概率为p，选出的簇节点个数都为N×p。在接下来的N/k－1轮中不会当选簇头，利用式（1）计算可知，在没有节点死亡时每轮选出的簇头都为N×p，但实际中有一定的波动。选为簇头的节点向网络广播信息，通知产生了一个新簇头，接收到信息的节点根据信号的强度选择一个距离其最近的簇头，并告知簇头节点，最后，簇头采用TDMA方法为簇中每个节点分配向其传送数据的时间片。
1.1.2 数据传输阶段
传感器节点将采集的数据按照簇头分配的时隙传送到簇头节点，簇头节点进行数据融合将结果直接发送到基站。
1.2 网络模型和最优簇头数的计算
网络由N个随机部署的传感器节点组成，同时有以下假设：（1）传感器网络为高密度静态网络，传感器节点和基站部署后均不再发生位置移动，基站唯一，而且基站的能量是无限制的，其他节点有相同的能量；（2）节点具备数据融合功能，每个传感器节点都有一个唯一的标识（ID）；（3）节点可以根据接收方距离的远近调整其发射功率以减小能量消耗。LEACH协议采用的一阶无线电模型，当发送距离较近时（d≤d0），采用自由空间信道模型；当发送距离较远时（d>d0），采用多路径衰减模型。具体如下：
根据式（9）可知，最优簇头数与分布的节点数成正比，与到基站的距离成反比。这代表着最优簇头随节点数的增加而增大，另外，离基站越远，簇头数越少，因此，向基站传送数据必须先进行融合，再进行传输，这样才能最大程度地节省能量。当节点部署在100×100正方形区域，基站在坐标（50，175）位置时，基站到簇头的最小距离是75 m，最大距离是185 m，则最佳簇头数的范围为1~6，取5，则popt=0.05。
2 优化的协议
根据上面的分析可知，LEACH协议中簇头的选择是随机产生的，每个节点每次传输信息消耗的能量是不同，虽然每个节点都得到了均衡的使用，但每个节点的剩余能量不同，这使得部分节点提前耗尽能量，网络进入不稳定期。另外，LEACH协议采用单跳的方式传输信息，当簇头离基站较远时，使部分节点的能耗加大，寿命缩短。针对LEACH协议的这些缺陷，提出了新的协议。该协议的基本思想是对LEACH协议的簇头进行优化，并形成多跳机制进行数据传输。与LEACH协议相近，本协议也采用了轮，每轮分为簇的建立和稳定传输两个阶段。在簇的建立阶段引入了节点剩余能量和估计能量的比值EE，对LEACH协议中的阈值Ki（t）进行优化，选出初级簇头。然后以距离最近的原则选出离基站最近的节点为超级节点，再采用贪婪算法将初级簇头组成一条链，每个节点将采集的数据传给初级簇头进行数据融合后沿着链最后发给基站。该算法不仅考虑了节点的剩余能量，同时以最小的代价将数据传给基站，有效地延长了网络的寿命。
2.1 簇的建立
LEACH协议在簇头选择过程中，每个节点都要产生一个0~1的随机数与阈值Ki（t）进行比较，小于阈值则选为簇头。参考文献[4]通过先用LEACH协议产生临时簇头，再根据节点的平均能量和质心位置去优化选簇，这就需要额外的广播信息告知自己的位置信息和能量信息，还要进行大量的计算，使簇的建立阶段浪费了许多能量。因此，基于既要考虑节点的剩余能量，又要降低开销的思路，引入了节点剩余能量和估计能量的比值EE，其计算式如下：
其中，r为当前运行的轮次，N0为无线传感器网络的预计运行轮次，E0为节点的初始能量，Ei为节点i的剩余能量。使每个节点产生的随机数与Ki′（t）相比较，剩余的能量越大，比值EE越大，当选簇头的可能就越大；反之，剩余的能量越小，比值EE越小，当选簇头的可能就越小，从而避免了低能量节点能量耗尽。当选簇头的节点向网络广播信息，通知产生了一个新簇头，接收到信息的节点根据信号的强度选择一个簇头，并告知簇头节点。
此外，各簇头节点向基站发送广播信息，基站根据信号的强度选与其距离最近的节点为超级节点，并给选定的超级节点发信息，超级节点根据各簇头节点广播的信息，选择最近的簇头节点为下一跳，并发送广播通知下一节点，下一节点重复同样的操作，直到所有的簇头加入链。
2.2 稳定传输阶段
传感器节点将采集的数据按照簇头分配的时隙传送到簇头节点，链中最后一个簇头节点进行数据融合，将结果传送到链中的下一簇头节点，下一级簇头节点接收到所有簇内节点和簇头节点的信息后进行数据融合，再传到链中的下一个簇头节点。进行反复操作，直到超级节点融合数据后直接发送到基站。
3 仿真结果分析
实验采用MATLAB进行仿真，模拟实现了LEACH和本文提出的优化的新协议的性能比较。仿真主要参数如下：100个节点随机分布在100 m×100 m的区域中，基站位于（50，175）。式（9）选定的最佳簇数为5，则簇头的概率p=0.05，节点的预计运行轮次N0=1 500轮。其他主要参数如表1所示。
图1给出了优化的新协议与LEACH协议网络生存周期的比较，以仿真轮数代表时间。LEACH协议和新协议的第一个节点死亡出现的轮数分别为667、961，半数节点死亡的轮数分别为913、1 117，最后一个节点死亡的轮数分别为1 719、1 494。从图1中可以看出，新协议第一个节点死亡的轮数和半数节点死亡的轮数都比LEACH长，尤其是第一个死亡节点出现的时间比LEACH长了44%。
在无线传感器网络中，将从仿真开始到第一个节点死亡的时期称为稳定期，该值越大，网络的性能越好。将第一个节点死亡到全部节点死亡称为不稳定期，不稳定的长短表明了网络的收敛性，不稳定期越长，网络性能越长。从图1中还看到，新协议比LEACH协议有更好的收敛性。
根据结果分析出主要的原因，一方面是对于簇头的优化，另一方面是采用多跳的传输技术比较节省能量，并且使能量的分布更加均衡，从而使第一个死亡节点出现时间比较晚，同时使网络有了很好的收敛性。
本文在分析LEACH协议的基础上提出了一种簇头优化协议，仿真结果显示，第一个节点死亡的时间相比LEACH协议有了很大提高，同时，网络的不稳定期缩短，有很好的收敛性，提高了网络的性能。
参考文献
[1] 孙利民. 无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2] HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A， BALAKRISHNAN H. Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]. Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences， 2000.
[3] HEINZELMAN W R. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2002， 1（4）：660-670.
[4] 张品，徐智福，孙岩.一种新的基于簇头的WSN路由协议[J].传感技术学报，2009（7）：1013-1017.