LEACH路由协议分析 - 基于最小能耗的无线传感器网络路由算法

　　最早的分簇路由协议是由Wendi等三人在2000年提出的LEACH算法，全称为“低功耗自适应集簇分层型协议”。LEACH算法的每一轮操作分为两个运行阶段：簇建立阶段和簇稳定运行阶段。由于簇建立阶段是属于额外的通信需求，所以稳定运行的持续时间要远大于建立阶段持续的时间。

　　在簇建立阶段，传感器节点随机生成一个0，1之间的随机数，并且与阈值T(n)做比较，如果小于该阈值，则该节点就会当选为簇首。T(n)按照下面公式计算：

　　式中：P为节点成为簇首节点的百分数;r为当前轮数;G为在这一轮中未当选簇首的节点集合。

　　簇首节点选定后，广播自己成为簇首的消息，节点根据接收到的消息的强度决定加入哪个簇，并告知相应的簇首，完成簇的建立过程。然后，簇首节点采用TDMA的方式，为簇内成员分配传送数据的时隙。以上LEACH算法存在一个很大的缺陷，即协议没有说明蔟首节点的数目怎么分布才能遍及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇首节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇首节点。同时，由于簇首节点是随机选择的，有可能出现某个节点剩余能量过低而不能成为簇首节点，从而导致网络失效。

　　2 基于最小能耗的无线传感器网络路由算法

　　2.1 算法拓扑结构

　　图3所示为无线传感器网络路由算法的拓扑结构。整个网络的节点被分为汇聚节点、簇首节点和普通节点。网络由若干个子区域组成，子区域自主产生簇首节点，区域内的其他节点和簇首节点通信并通过簇首节点将数据传输给汇聚节点。

　　2.2 算法描述

　　为了改进上述LEACH算法存在的缺点，本文采用了以下方法：网络开始运行时，首先通过类似文献中的扩散法将整个网络划分为若干个子区域，然后再在各个子区域内随机选取簇首节点，这样可以保证簇首节点更加均匀地分布在整个网络中。同时，设定节点剩余能量阈值Eth，每次选取簇首节点之前，对剩余能量低于阈值的节点采取休眠处理。这样保证了簇首节点选取的可用性，有效地提高了网络的生存时间。图4为簇首节点形成流程图。网络开始运行时，依然将节点工作时间按周期划分为簇首节点建立阶段t1和稳定运行时间t2。t1阶段网络首先在各个子区域内随机产生簇首节点，新簇首节点产生后广播告知整个网络。此时，普通节点在接收到信息后开始发送入簇信息，簇首节点则为其分配通信时隙。图5为整个算法的流程图，在建立新的簇首节点和传输网络后，簇内节点开始将数据信息发送给簇首节点，并在其内部进行数据融合后转发给汇聚节点，网络开始稳定运行。经过t2后，网络开始重新选取簇首节点，此时要注意，每个节点都将判断自己的剩余能量，对低于阈值的采取休眠处理并广播告知其他节点。

　　3 结语

　　在分析LEACH算法和无线传感器网络的能量模型的基础上，本文提出了一种改进算法。在随机选取簇首节点之前，首先把网络划分为若干个子区域，这样可以将簇首节点分步得更加均匀，同时设定剩余能量阈值Eth，在每次选取簇首节点之前对剩余能量低于Eth的节点进行休眠处理，有效地提升了整个网络的生命周期。