基于能耗最优的leach协议的改进

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1、基于能耗最优的LEACH协议的改进摘要：针对LEACH协议在簇头选取、数据通信方面的不足，提出改进后的Ad-LEACH协议。根据节点的分类，修正簇头当选概率，使簇头选取均衡了能耗、距离、节点密度的影响。通过节点位置模糊匹配的方法将全网划分为若干个均匀大小的网格。数据传输阶段以能景利用率最高为目的，基于最佳转发距离选择转发节点。仿真结果表明，Ad-LEACH协议存效降低和均衡了网络能耗，达到了能耗最优的目的。关键词：无线传感器网络；LEACII协议；簇头选取；模糊匹配；网格；转发节点；能耗最优中图分类号：TP393文献标识码：A1引言无线传感器网络(

2、WirelessSensorNetwork,WSN)是一种新兴的信息感知和数据采集网络系统，能够实现人与物理世界的通信和信息交互，在众多领域具有广阔的应用前景［1］。由于网络节点采用电池供电，且往往部署于恶劣的、人类难以到达的环境中，节点电能耗尽后难以补充和更换，因此能耗问题是制约无线传感器网络应用和发展的首要问题。路由协议是组网的基础和数据传输的关键，改进适用于无线传感器网络的路由协议可以有效降低节点的能耗，延长网络生命周期。LEACH协议(低功耗自适应集簇分层型协议，LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)是具

3、有代表性的层次路由，采用区域集中控制的方法，从各区域节点中选岀簇头，通过簇头向基站转发簇内信息，与直接传输、最小传输能量等路由相比较，可以有效降低节点能耗［2-3］。LEACH协议执行过程中，由于部分节点耗能过快、过早死亡会造成网络不完全联通，导致网络性能急剧下降，因此网络能耗不均是LEACH协议需要解决的首要问题。2LEACII协议2.1协议原理及分析LEACH协议按“轮”周期执行，每轮包括簇头选取、簇的形成和数据传输三个阶段。在簇头选取阶段，各节点分配一个介于（T1的随机数，若随机数大于本轮的阈值，节点当选为簇头。簇头选取完成后，簇头向周围节点

4、广播通告自身的簇头状态、ID和本簇的分组头。周围节点根据接收信号的强度确定加入最近距离的簇，并将自身和簇头的ID通知相应的簇头节点。在数据传输阶段，簇头以TDMA方式安排簇内节点的时间调度，节点按分配的时隙将数据传送给簇尖，簇炙将数据包去冗处理后，按照不同的CDMA代码直接发送给基站。LEACII协议中，簇内节点仅在分配的时隙内开启无线发送装置进行数据传输，其余时间进入休眠状态，大量节省了节点能耗；同时，簇尖在发送数据前经过去冗处理，减小了发送开销。但LEACH协议的簇头选取没有考虑参选节点自身的因素，仅依靠随机数产生，造成簇头分布不均、簇的规模差

5、异大、簇头能耗不均；数据传输过程中，节点能耗与距离呈指数增长，距离基站远处的簇头消耗很大能量直接发送数据至基站，造成能耗过快、过早死亡。2.2协议相关研宄针对LEACH协议的不足，近年来许多学者进行了研究和改进。针对簇尖选取、分布不合理，乔俊峰等在文献［4］中根据节点密度划分簇规模，刘玉华等在文献［5］中结合节点剩余能量和距离等因素改进阈值公式，唐甲东在文献［6］中结合剩余能景和节点密度采用阈值，这些改进从一个方面或者多个方面优化了簇头节点的当选条件，但是对影响因子归纳和定量的全面性存在一定不足。在簇的形成阶段，祁飞等在文献［7］中划分了子网并在子

6、网内均匀分簇，蒋畅江等在文献［8］中通过减小靠近基站的成簇半径实现非均匀分簇，石为人等在文献［9］中提出簇头竞争半径自适应调节成簇的方法，这些改进与簇头选取方案相适应，共同达到均衡簇头能耗的H的。在数据传输策略上，李雅卿等在文献［10］中采用贪婪算法形成多跳的数据传输路径，王国芳等在文献［11］中提出结合剩余能量选择中间节点的簇首多跳算法，张瑞华等在文献［12］中利用位置信息选择能耗最小的最优转发簇头，这些成果表明，LEACH协议的数据传输方式应该由单跳改进为多跳或者单多跳结合，转发节点的选择也要以能耗最小为目标。还有一些研宄者讨论了多跳路由中距离

7、和能量的关系，郭书城等在文献［13］中提出能距比的概念并计算出节点的最佳发送距离，李小亚等在文献［14］中讨论了单多跳路由节能优势的临界距离［4-14］。AD-LEACH协议是在以上研宄的基础上，综合考虑影响簇头分布的因素，细分了节点的类型，进行阈值的改进。在簇的形成阶段，节点根据自身坐标计算所属簇的矩阵二维值，通过匹配方式将网络分成若干个均匀的网格。数据传输采用单多跳结合的方式，转发节点的选取结合了最佳转发距离和剩余能量，可调转发收敛的速度，较好地解决了簇头分布和网络能耗不均的问题。3Ad-LEACH协议3.1簇头选取过程影响簇头在网络分布和能耗

8、的因素主要有节点能景、和基站的距离、节点密度等。簇失节点必须具有足够高的能量，用以处理和转发本簇数据，同时簇头的分布需要考