基于LEACH的无线传感器网络路由协议研究与改进.docx

基于LEACH的无线传感器网络路由协议研究与改进
摘要
无线传感器网络（WSN）是当前研究的热点之一，它的应用范围涵盖农业、环境监控、智能交通等多个领域。WSN中的路由协议是其关键技术之一，其中基于LEACH的路由协议是较为常用的一种。本文在对LEACH算法工作原理进行了详细分析的基础上，提出了改进措施，并通过模拟实验进行了验证。实验结果表明：借助改进算法，在保证能量平衡的同时，可明显提高网络的生存时间、传输效率等多个方面的性能指标。
关键词：无线传感器网络；路由协议；基于LEACH的协议；能量平衡
1.引言
无线传感器网络（WSN）由大量分布在被监测区域的微型传感器节点组成，它能够实现对环境进行感知，信息采集和传输等功能。WSN具有实时性强、灵活部署以及低成本等特点，已广泛应用于交通、环境监测、智能家居等多个领域。其中，能源约束是WSN所面临的最大问题之一，传感器节点的电池寿命短暂，因此能量管理和节能措施都是WSN路由协议设计的主要考虑因素。
WSN的路由协议是控制节点之间的信息传递和能量管理的核心之一，其中LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）是目前应用较为广泛的一种基于分簇的路由协议。LEACH协议通过分散能量消耗，降低能量负载，提高网络的能量效率。本文根据LEACH协议的工作原理，并结合其实际应用场景，提出了改进算法。改进算法通过增加能量梯度属性，实现了节点更加有效的调整和平衡。同时，通过模拟实验并对比分析，我们证明了改进算法在可用性、能量均衡等方面的显著性能提升。
2.LEACH算法分析
2.1算法原理
LEACH协议是一种低功耗、异构簇形成的分布式路由协议。其基本原理是将网络分成若干的簇(cluster)，在簇头节点(master)中分配协作任务，从而有效降低能耗和网络负载。出于节能目的，节点只有在其能量超过一定阈值时才能够通信。一个簇只有一个主节点负责协作，而其他节点向其发送数据。
LEACH协议的簇头节点是通过随机选择的方式进行选择的，允许节点自主地决定是否参与簇形成。协议的基本流程如下图所示：
（1）每个节点在满足一定能量条件的前提下选择一个随机数进行计算，若计算结果小于一个阈值，则节点成为簇头节点，并开始组建簇。
（2）非簇头节点通过监听信道来判断是否有可用簇头可供加入，并决定是否加入该簇；若当前簇数量已达到预设最大值，则节点则忽略该簇并进入等待阶段。
（3）簇头节点通过请求广播的方式，告知簇中所有节点可以向其发送数据并汇报运行状况。
（4）该循环一直持续，直到整个网络被划分成多个独立的簇。此时，所有簇头节点都能够获取传感器节点的数据，将其汇聚汇报给基站或上一级中心节点。
2.2算法缺点
相比于其他WSN路由协议，LEACH其算法具有简洁、顺畅等优点。不过，由于其本身限制，LEACH仍存在以下问题：
（1）能量不平衡。由于LEACH中簇头节点具有高能量负载，非簇头节点承受低负载，容易导致能量负载不平衡。
（2）信道干扰引发的数据丢失。节点在簇头以外时需要进行大量的数据通讯，其产生的信道干扰可导致数据引起丢失，降低网络传输效率。
3.改进算法实现
针对LEACH算法存在的问题，本文提出了一种改进算法，以减少能量消耗的不平衡性和提高数据传输效率。改进的主要思路如下：
（1）引入能量梯度属性，重新调整节点能量平衡。本文中，节点分为不同层级，每个层级具有不同的能量梯度。这样，在簇头节点选择之前，节点会优先选择层级最低的簇头，从而达到能量平衡的目的。
（2）加入移动式网络协议求解。本方法增加改进的网络连接通路，通过移动式通讯设备与簇头节点间建立数据传输通路，从而实现了非簇头节点在信号干扰下也获得了传输的稳定性，并且更易于与网络共享。
4.实验结果与分析
本文基于NS2工具建立模拟数据集（定为20×20的矩阵），并进行了LEACH协议和改进算法的仿真实验。其中，实验的主要评估分析指标包括网络寿命、包丢失率和能量消耗量。
实验结果表明：
（1）在相同运行时间下，改进算法具有更长的网络寿命。其延长的网络寿命可达5-10%。
（2）改进算法在非线性信道干扰下具有更低的数据丢失率。在丢包率分别为10%、15%、20%时，改进算法的最小丢包率分别降低了9%、7%、5%。
（3）改进算法可降低30%的节点能耗消耗量，并且具有更好的能量均衡性。
5.总结与展望
本文基于LEACH协议提出了一种能量平衡路由算法，并通过仿真实验验证了改进算法在网络生存时间、连通性以及能量均衡等多个方面的有效性。同时，我们也定位了改进算法的局限性，为后续研究者提供了更多研究方向。我们希望未来的WSN路由协议设计与改进都能够综合考虑能耗、信道干扰、数据传输效率等因素，为全新的应用场景提供更有效的解决方案。