無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）[1]是集數(shù)據(jù)采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)，其特點是能量、計算能力和存儲空間有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議必須時刻關(guān)注降低能耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期這一核心問題。設(shè)計精良的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議[2]可以分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議兩種。目前，路由協(xié)議的主流是層次路由協(xié)議，該協(xié)議具有代表性的路由算法是低功耗自適應(yīng)分簇（LEACH）算法[3]。LEACH協(xié)議中，簇首形成高一層的網(wǎng)絡(luò)，這樣簇內(nèi)成員的功能就變相地簡單，大大減少了路由控制信息的數(shù)量。但該協(xié)議也存在耗能大、能量不均衡的問題。針對以上問題，本文通過對經(jīng)典的分簇路由協(xié)議LEACH的分析，并且以降低功耗、實現(xiàn)能量均衡、延長網(wǎng)絡(luò)壽命為主要目的，對LEACH協(xié)議進行改進。

1 LEACH算法分析
    LEACH算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的低功率自適應(yīng)分簇路由算法。它的基本思想是：以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。LEACH在運行過程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，每個簇重構(gòu)過程可以用“輪（round）”來描述，每一輪包含簇的建立和穩(wěn)定運行兩個階段。其中穩(wěn)定階段持續(xù)時間要比簇建立階段持續(xù)的時間長得多。

    被選為簇首的節(jié)點會利用CSMA  MAC協(xié)議廣播ADV消息，宣布自己成為簇首。非簇首節(jié)點收到來自各簇首的消息，并根據(jù)接收信號的強度選擇強度最大的簇首發(fā)送加入請求JOIN-REQ（其包含了節(jié)點的ID和要求加入簇首的ID信息）。
    （2）時隙表建立
    當(dāng)簇首確定并且簇域劃分工作完成后，簇頭將根據(jù)成員節(jié)點的數(shù)目，產(chǎn)生TDMA時隙表。成員節(jié)點通過接收簇首的廣播獲取該表，并在自己的時隙到達時才開啟發(fā)送裝置向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時間處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。
    （3）穩(wěn)定
    相對于簇的建立階段，穩(wěn)定階段是相對較長的一個階段，該階段主要是各節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。一旦簇形成，TDMA時刻表確定，則數(shù)據(jù)傳輸開始。簇首節(jié)點在收到成員節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合和壓縮，將壓縮處理后的信號傳輸給基站。
1.2 LEACH算法存在的問題
    （1）壽命不均：簇首的選舉策略是隨機的，可能造成簇首分布不均，簇成員個數(shù)也有較大差異，使得各簇首負載不均衡，造成個別簇首較早死亡。
    （2）距離受限：LEACH協(xié)議只適用于小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于基站與簇首之間采用單跳路徑選擇模式，所以簇首與基站必須布置在通信可達的范圍內(nèi)。
2 LEACH算法的改進
2.1 改進算法的設(shè)計思路
    針對LEACH算法中存在的問題，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，本文從以下幾個方面對LEACH協(xié)議進行改進。
    （1）改變簇首產(chǎn)生方式
    主要從以下兩個方面改變簇首的產(chǎn)生：
    ①基于節(jié)點的剩余能量選擇簇首。考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，選取能量較多的節(jié)點作為簇首。將節(jié)點的剩余能量作為選擇簇首的一個重要衡量標準，以保證區(qū)域內(nèi)剩余能量較多的節(jié)點被選為簇首。
    ②基于節(jié)點與簇首之間的距離選擇簇首。考慮到簇首地理分布平均的問題，每個簇首發(fā)射信號，其他節(jié)點則根據(jù)接收到的信號判斷離簇首的距離，離簇首距離小于設(shè)定值M的節(jié)點不再選為簇首，從而保證所有簇首之間距離不小于M。
    （2）改變簇首與基站之間的通信方式
    LEACH算法中，簇首與基站（BS）之間的數(shù)據(jù)發(fā)送過程采用單跳的方式。由于基站距離傳感區(qū)域很遠，所以簇首將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站時所消耗的能量很多。基于這一點，在簇首向基站發(fā)送數(shù)據(jù)的時候采用多跳的方式，這樣可以使簇首節(jié)點能量的消耗相對減少。本文提出的改進算法是把簇首組織起來，以多跳的方式向基站發(fā)送融合后的數(shù)據(jù)。

    依次遍歷其他節(jié)點，重復(fù)上述操作。最后剩下的候補簇首即成為最終的簇首。
    當(dāng)選為簇首的節(jié)點會將自己的ID添加到該簇域的全局變量ch_list_中去，最終得到的ch_list_就是該簇域內(nèi)所有簇首節(jié)點ID的列表。通過簇域的ch_list_即可以得到下游（下游指的是指向BS方向的下一個簇域）簇域內(nèi)的所有節(jié)點的ID列表。有了該列表，就相當(dāng)于得到了下一跳的候選列表。如圖2所示，簇首只需從這些候選節(jié)點中隨機選出一個節(jié)點作為自己的下一跳節(jié)點，這樣就將各個簇首的多跳路徑建立起來了。

    從圖3中可以得出以下結(jié)論：
    ①LEACH算法在365 s時出現(xiàn)節(jié)點死亡，而改進后的算法在375 s時開始有節(jié)點出現(xiàn)死亡。從節(jié)點開始死亡的時間上說明，改進后的算法相對于LEACH算法提高了2.73%。
    ②LEACH算法在500 s左右時結(jié)束了網(wǎng)絡(luò)生命，而改進后的算法在580 s左右時才結(jié)束網(wǎng)絡(luò)生命。從網(wǎng)絡(luò)存活時間比較說明，改進后的算法比LEACH算法存活時間延長了16%。
    (2)不同時段網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存活節(jié)點數(shù)目的比較很直觀地說明了兩種算法下網(wǎng)絡(luò)生命周期的不同。下面從能量消耗的角度來進一步對兩種算法進行比較。
    圖4為兩種算法下在不同時段網(wǎng)絡(luò)消耗總能量的值，由圖4可以看出，LEACH算法在500 s結(jié)束網(wǎng)絡(luò)生命時的總能耗為450 J左右，而改進后的算法在580 s時結(jié)束生命周期時總能耗是350 J。對比結(jié)果進一步印證了本文算法較LEACH算法延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
 

    從表1可以看出，改進-LEACH協(xié)議和LEACH協(xié)議相比，如果以節(jié)點開始死亡的時間為標準，改進-LEACH協(xié)議相比LEACH協(xié)議可有2.73%的提高；若以網(wǎng)絡(luò)生命周期為標準，則有16%的提高；如果以網(wǎng)絡(luò)總能耗為標準，相比LEACH協(xié)議，改進-LEACH協(xié)議其性能提高了21%。
    本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在理論分析的基礎(chǔ)上提出了一種改進的LEACH協(xié)議。該協(xié)議在選擇簇首方面，充分考慮了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置和剩余能量，進而使簇的大小更為合理；在簇首與基站之間的路徑選擇方面，采取了多跳傳輸?shù)姆绞健Ｍㄟ^NS2的仿真實驗表明，將改進后的算法應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能更有效地降低與均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，從而較大幅度地延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
參考文獻
[1] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：124-151.
[2] 余勇昌，韋崗.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于PEGASIS協(xié)議的改進算法[J].電子學(xué)報，2008，36(7)：1309-1313.
[3] SHAH R C，RABAEY J.Energy aware routing for low energy Ad hoc sensor networks[C].Orlando：IEEE Wireless Communications and Networking Conferenee(WCNC)，2002：350-355.
[4] 陶東.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的仿真分析研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(12)：11.
[5] 王盛.基于NS2的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的改進仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.
[6] 徐雷鳴.NS與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京：人民郵電出版，2003.