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无线传感器网络LEACH路由算法改进研究
摘要：
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是具有广泛应用的新型传感器网络，具有低功耗、低成本、低复杂度、自组织、自适应、易于部署等特点。本文研究了LEACH路由算法的不足之处，并提出改进方案，通过添加时间随机函数和能量阈值策略，提高了网络的能量利用率、增强了网络的生存期和可靠性。
关键词：无线传感器网络；LEACH路由算法；时间随机函数；能量阈值策略；生存期；可靠性。
引言：
随着科技的进步和网络技术的广泛应用，WSN逐渐成为学术界和工程界的热门研究领域。由于WSN应用场景特殊，传感器节点资源受限，传感器网络路由算法的研究变得尤为重要。其中，LEACH是目前WSN中比较经典的路由算法之一。
LEACH路由算法是一种分簇协议，通过将网络分为多个簇，并选择簇头节点进行数据汇聚和传输，达到省电、延长网络寿命的目的。然而，LEACH路由算法也存在一些问题，比如：随机数生成不足、能量耗尽不均、簇头节点选举周期过长、网络生命周期不足等。
因此，本文改进了LEACH路由算法，主要包括时间随机函数和能量阈值策略两部分。通过改进后的算法，在提高网络能量利用率和提高网络的生存期方面取得了一定的成果。
1LEACH路由算法原理
1.1分簇
LEACH将网络节点分为若干个簇进行管理，每个簇有一个簇头（ClusterHead）节点和若干个普通节点构成。簇头节点负责汇聚簇内节点数据，将数据传输给基站节点。
1.2簇头节点选举
簇头节点是由普通节点从交换的簇组队列中进行随机选举，簇头节点负责整个簇内数据的汇聚和处理。为了保证节点的公平竞争，LEACH算法采取轮流选举簇头节点的策略，即每个节点等概率地成为簇头节点的概率是一样的，随机数生成器产生随机数确定节点是否成为簇头。
1.3时间分区
为了避免节点同时发送数据，导致能量消耗过大，簇头节点将网络的时间分成相等的时期（T-secondcycle），并将整个时期分为Round数个子时期。在一个子时期中，只有簇头节点可发起数据传输，而普通节点可以监听接收数据，节点通过这样的方式解决了互相干扰的问题。
1.4簇头节点选择概率
为了保证簇头节点能够平均耗尽，LEACH算法引入了簇头节点选举概率的概念。节点们随机生成概率值，然后判断它们是否小于簇内高于平均值的节点数量与过往选举周期数之和除以过往选举周期数。这些节点中概率最大的成为簇头，每个节点选举的概率是不同的。
2LEACH路由算法不足
2.1随机数生成不足
在LEACH算法中，簇头节点的选举过程是基于随机数生成器的，如果随机数生成器出现问题，其产生的序列可能是可预测的或易被破解的，一旦出现恶意攻击威胁后续沿着该路径的所有数据可能就被泄露。
2.2能量耗尽不均
在LEACH算法中，大部分的能量都是由簇头节点消耗，而普通节点的能量利用率较差，容易因为节点宕机、能量不足等原因导致网络死亡。
2.3簇头节点选举周期过长
在LEACH算法中，簇头节点的选举周期需要由网络管理员事先指定，这样会导致选举周期过长，网络的响应时间会变慢，网络的实时性不好。
2.4网络寿命不足
在LEACH算法中，由于网络节点能量的有限和能耗不均匀，节点宕机等原因，会导致网络寿命不足。
3LEACH路由算法改进
3.1时间随机函数
通过时间随机函数，使得LEACH算法中的随机数生成具有更好的随机性，避免了随机数生成器的问题。时间随机函数罗列出随机数种子的公式，生成随机数种子，以此作为选簇操作的输入。
3.2能量阈值策略
能量阈值策略可以在节点能量不足时避免节点成为簇头节点，刷掉需要随机选举的节点，以此避免因能量不足导致的节点故障，提高网络的能量利用率和网络的生存期和可靠性。
4总结
本文研究了WSN中经典的LEACH路由算法，针对其存在的问题提出了改进方案。通过时间随机函数和能量阈值策略的改进，提高了网络的能量利用率、增强了网络的生存期和可靠性。未来可以通过深入研究改进算法，更好地发挥它的作用。